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1.1 Xilinx FPGA器件

1.1.1 Xilinx公司简介

Xilinx公司成立于1984年,总部设在美国加利福尼亚圣何塞市(San Jose),是全球领先的现场可编程逻辑阵列(FPGA)、片上系统(SoC)和3D IC供应商。这些行业领先的器件与新一代设计环境及IP完美地整合在一起,可满足客户对可编程逻辑乃至可编程系统集成的广泛需求。

Xilinx首创了FPGA这一创新性的技术,并于1985年首次推出商业化产品。凭借3500项专利和60项行业第一,Xilinx取得了一系列历史性成就,包括开启无工厂代工模式(Fabless)等。Xilinx产品线还包括复杂可编程逻辑器件(CPLD),Xilinx可编程逻辑解决方案缩短了电子设备制造商开发产品的时间并加快了产品面市的速度,从而减小了制造商的风险。与传统设计方法相比,如固定逻辑门阵列,利用Xilinx可编程器件,客户可以更快地设计和验证电路。而且,由于Xilinx器件是只需要进行编程的标准部件,客户不需要像采用固定逻辑芯片那样等待样品或付出巨额成本。

Xilinx 最近的创新让其从传统的可编程逻辑公司转型为“All Programmable”的公司,把各种形式的硬件、软件、数字和模拟可编程技术创建并整合到All Programmable FPGA、SoC和 3D IC中。这些器件将可编程系统的高集成度、嵌入式智能和灵活性集于一身,支持高度可编程智能系统的快速开发。此外,Xilinx 器件还能大幅提高系统级性能、降低功耗、节约材料成本,相对于其他解决方案,可提供领先一代的价值。通过结合全球最佳制造工艺、突破性架构、高级电路、出色的设计软件及无与伦比的执行力,实现了最高质量,从而创造出上述价值。

Vivado Design Suite 经过彻底的全新设计,可面向今后 10 年的设计要求,满足软硬件All Programmable 产品要求。Vivado包括基于 C 和 IP 的高级设计抽象及最先进的实现算法,工作效率可提高 15倍。

Xilinx器件广泛应用于火星探测器、机器人外科手术系统、有线和无线网络基础架构、高清视频摄像头和显示器,以及工业制造和自动化设备等众多领域。未来,Xilinx All Programmable 器件可以打造出具有实时数据和图形分析功能、智能连接控制功能、促进稀缺资源的更优化利用及更高安全性的新一代智能系统。Xilinx All Programmable 器件未来还可应用于有线电信运营商和数据中心的软件定义网络(SDN)、无线基础设施的自组织网络(SON)、可再生能源的智能电网和风力涡轮、结合M2M通信推动智能工厂发展的机器视觉与控制技术、超高清(4K/2K)视频基础设施及新一代智能汽车的驾驶员辅助和增强现实平台等。

1.1.2 Xilinx的FPGA器件系列

Xilinx公司在推出7系列FPGA之前,它的FPGA器件系列主要包括高性能的Virtex系列和大批量的Spartan系列。在20世纪90年代晚期推出这两个器件系列时,Virtex和Spartan二者采用的是完全不同的架构。从用户的角度来看,这两个系列的器件之间存在着显著的差别,包括每种器件对应的IP和使用时的设计体验都存在差异。如果想把终端产品的设计从Spartan设计扩展到Virtex设计,架构、IP和引脚数量方面的差异就会非常明显,反之亦然。

1.Spartan系列

Spartan系列适用于普通的工业、商业等领域,目前主流的芯片包括Spartan-2、Spartan2E、Spartan-3、Spartan-3A及Spartan-3E等。其中Spartan-2最高可达20万系统门,Spartan2E最高可达60万系统门,Spartan-3最高可达500万系统门,Spartan-3A和Spartan-3E不仅系统门数更多,还增强了大量的内嵌专用乘法器和专用块RAM资源,具备实现复杂数字信号处理和片上可编程系统的能力。

Spartan-3E是在Spartan-3成功的基础上进一步改进的产品,提供了比Spartan-3更多的I/O端口和更低的单位成本,是Xilinx公司性价比较高的FPGA芯片,具有系统门数从10万到160万的多款芯片。由于更好地利用了90nm技术,在单位成本上实现了更多的功能和处理带宽,是Xilinx公司新的低成本产品代表,主要面向消费电子应用,如宽带无线接入、家庭网络接入及数字电视设备等。其主要特点如下:

● 采用90nm工艺;

● 大量用户I/O端口,最多可支持376个I/O端口或156对差分端口;

● 端口电压为3.3V、2.5V、1.8V、1.5V、1.2V;

● 单端端口的传输速率可以达到622Mbit/s,支持DDR接口;

● 最多可达36个专用乘法器、648块RAM、231分布式RAM;

● 宽的时钟频率以及多个专用片上数字时钟管理(DCM)模块。

Spartan-3E系列产品的主要技术特征如表1.1所示。

表1.1 Spartan-3E系列产品的主要技术特征

2.Virtex系列

Virtex系列是Xilinx的高端产品,也是业界的顶级产品,主要面向电信基础设施、汽车工业、高端消费电子等应用。目前主流芯片包括Virtex-2、Virtex-2 Pro、Virtex-4和Virtex-5等。

Virtex-5系列提供4种新型平台,每种平台都在高性能逻辑、串行连接功能、信号处理和嵌入式处理性能方面实现了最佳平衡。现有的3款平台为LX、LXT及SXT。LX针对高性能逻辑进行了优化,LXT针对具有低功耗串行连接功能的高性能逻辑进行了优化,SXT针对具有低功耗串行连接功能的DSP和存储器密集型应用进行了优化。其主要特点如下:

● 采用65nm工艺,结合低功耗IP块将动态功耗降低了35%;此外,还利用65nm三栅极氧化层技术保持低静态功耗;

● 利用65nm Express Fabric技术,实现了真正的6输入LUT,并将性能提高了两个速度级别;

● 内置有用于构建更大型阵列的FIFO逻辑和ECC的增强型36kbit Block RAM,并带有低功耗电路,可以关闭未使用的存储器;

● 逻辑单元多达330 000个,可以实现更高的性能;

● I/O引脚多达1200个,可以实现高带宽存储器/网络接口,1.25Gbit/s LVDS;

● 低功耗收发器多达24个,可以实现100Mbit/s~3.75Gbit/s高速串行接口;

● 核电压为1V,550MHz系统时钟;

● 550MHz DSP48E slice内置有25×18MAC,提供352GMACs的性能,能够在将资源利用率降低50%的情况下实现单精度浮点运算;

● 内置式PCIe端点和以太网MAC模块提高面积效率;

● 更加灵活的时钟管理管道(Clock Management Tile)结合了用于进行精确时钟相位控制与抖动滤除的新型锁相环(Phase Locked Loop,PLL)和用于各种时钟综合的数字时钟管理器(DCM);

● 采用了第二代Sparse Chevron封装,改善了信号完整性,并降低了系统成本;

● 增强了器件配置,支持商用Flash存储器,从而降低了成本。

Virtex-5系列产品的主要技术特征如表1.2所示。

表1.2 Virtex-5系列产品的主要技术特征

续表

3.7系列FPGA

2010年2月,Xilinx公司宣布将采用高K金属栅(HKMG)高性能、低功耗工艺(HPL)生产下一代28nm的FPGA,而且新的器件将应用一个全新的、统一的高级硅模组块(Advanced Silincon Modular Block,ASMBL)架构。HKMG和Xilinx ASMBL架构的结合,使Xilinx能够迅速而低成本地打造具有更多功能组合的多个领域优化平台。7系列产品包含几个新的FPGA系列,在功耗、性能和设计可移植性方面都取得了更大的进展。28nm工艺和设计将功耗降低了50% ,统一的架构使得客户能够更加方便地在系列间移植设计,让其IP投资发挥出更大的成效。这些FPGA系列是Xilinx新一代、领域优化和特定市场专用目标设计平台的基础。

Artix-7 FPGA系列——针对最低功耗和最低成本而优化,特征如下:

● 利用基于Virtex架构的FPGA满足成本敏感型、大批量市场的要求;

● 与上一代FPGA相比,其功耗降低了50%,成本降低了35%;

● 利用内置式Gen 1×4 PCI Express®技术实现了3.75Gbit/s串行连接功能;

● 丝焊芯片级BGA封装,实现了小型化和低成本化;

● 尺寸、重量和功耗特性都特别符合手持式应用的要求,如便携式超声波、数字照相机控制和软件定义无线电。

Kintex-7 FPGA系列——针对更低功耗的经济型信号处理而优化,特征如下:

● 一类全新的FPGA提供了Virtex FPGA级别的性能,并且将性价比提高了2倍;

● 与上一代FPGA相比,其功耗降低了50%;

● 10.3125Gbit/s串行连接功能和内置式Gen2×8 PCI Express技术;

● 丰富的块存储器和DSP资源,是无线通信基础设施设备、LED背光和3D数字视频显示器、医学成像与航空电子成像系统的理想之选。

Virtex-7 FPGA系列——为低功耗和最高系统性能而优化,特征如下:

● 多达2百万个逻辑单元实现了突破性容量;

● 利用高达2.4Tbit/s的I/O带宽和4.7TMACS的DSP性能实现了2倍以上的系统性能;

● 实现了新一代100GE线卡、300G桥接器、太比特级交换机结构、100吉比特OTN波长转换器、雷达和ASIC仿真;

● 与EasyPath TM _7 FPGA一起提供灵活的、无风险的成本削减方法,专门针对Virtex-7 FPGA设计。 MdKuDdJyScp80bWTn1pWgLYXT3cGVQ2XNShKGf43/zED27FrTyrFFx4tGPyFls84

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