FPGA和外围接口-第一章爱上FPGA(1.3.2 Intel FPGA 主流芯片选型 ))

FPGA和外围接口-第一章爱上FPGA

第1章爱上FPGA-

1.3.2 Intel FPGA 主流芯片选型

这章在原计划中是没有的，网上关于FPGA的介绍不说有万篇，千篇文章是有的，所以这章简介部分会很简洁，但是对于Xilinx和Intel家的FPGA主流芯片选型指导和命名规则会详细介绍，因为这部分会是入门遇到的第一个问题。这章第二个问题会是资源的查找，一百篇文章所能遇到的问题都不一定会解决你所面临的问题，所以接下来会分享下网上常见的资源网站和论坛。在这里感谢网上各位大神和前辈的指导资料，在此一一谢过，本系列文章主要是以交流和学习为主，欢迎各位转载，转载请注明下出处，谢谢！

PS：阅读过程中，有什么问题或者建议可以在微信公众号：OpenFPGA 后台留言，一定悉心听取各位前辈和大佬的建议。

1.3.2 Intel FPGA 主流芯片选型
下图一眼就能看出 Intel 厂家的 FPGA 和 CPLD 系列型号

图1‑24 Intel厂家的FPGA和CPLD系列型号

1 低成本FPGACyclone

Cyclone I系列FPGA

Cyclone I系列FPGA是目前市场上性价比最优且价格最低的FPGA。Cyclone器件具有为大批量价格敏感应用优化的功能集，这些应用市场包括消费类、工业类、汽车业、计算机和通信类。Cyclone器件现正在发售中。

简评：1.5V SRAM工艺，容量从2,910至20,060个逻辑单元，具有多达294912 bit嵌入RAM。Cyclone FPGA支持各种单端I/O标准如LVTTL、LVCMOS、PCI和SSTL-2/3，通过LVDS和RSDS标准提供多达129个通道的差分I/O支持。每个LVDS通道高达640Mbps。Cyclone器件具有双数据速率(DDR) SDRAM和FCRAM接口的专用电路。Cyclone I FPGA中有两个锁相环(PLLs)提供六个输出和层次时钟结构，以及复杂设计的时钟管理电路。这些业界最高效架构特性的组合使得FPGA系列成为ASIC最灵活和最合算的替代方案。

Cyclone II 或者低功耗Cyclone III FPGA。

简评：Intel Cyclone II 采用全铜层、低K值、1.2伏SRAM工艺设计，裸片尺寸被尽可能最小的优化。采用300毫米晶圆，以TSMC成功的90nm工艺技术为基础，Cyclone II 器件提供了4,608到68,416个逻辑单元（LE），并具有一整套最佳的功能，包括嵌入式18比特x18比特乘法器、专用外部存储器接口电路、4kbit嵌入式存储器块、锁相环（PLL）和高速差分I/O能力。

Cyclone II 器件扩展了FPGA在成本敏感性、大批量应用领域的影响力，延续了第一代Cyclone器件系列的成功。

Cyclone III FPGA是Intel Cyclone系列的第三代产品。Cyclone III FPGA系列前所未有地同时实现了低功耗、低成本和高性能，进一步扩展了FPGA在成本敏感大批量领域中的应用。

台积电公司(TSMC)的65-nm低功耗(LP)工艺技术，CycloneIII 器件对芯片和软件采取了更多的优化措施，在所有65-nm FPGA中是功耗最低的，在对成本和功耗敏感的大量应用中，提供丰富的特性推动宽带并行处理的发展。

Cyclone III 系列包括8个型号，容量在5K至120K逻辑单元(LE)之间，最多534个用户I/O引脚。Cyclone III 器件具有4-Mbit嵌入式存储器、288个嵌入式18x18乘法器、专用外部存储器接口电路、锁相环(PLL)以及高速差分I/O等。

Cyclone III FPGA系列为成本敏感的各种大批量应用提供多种器件和封装选择。Cyclone III 器件结温在-40°C至125°C之间，有三种温度等级，支持各种工作环境。请参考Cyclone III 器件手册，了解详细信息。

Intel Cyclone IV系列FPGA

Intel Cyclone IV系列FPGA拓展了Cyclone FPGA系列的领先优势，为市场提供成本最低、功耗最低并具有收发器的FPGA。Cyclone IV FPGA系列含有两种型号-3.125-Gbps收发器的Cyclone IV GX FPGA以及带有1.0V选择的Cyclone IV E FPGA，在降低成本的同时帮助您满足了提高带宽的需求。

Intel Cyclone V系列FPGA

Intel Cyclone V FPGA实现了业界最低的系统成本和功耗，其性能水平满足了您突出大批量应用优势的需求。从三种型号中进行选择：

• 只提供逻辑的 Cyclone V E FPGA

• 具有 3.125 Gbps 收发器的 Cyclone V GX FPGA

• 具有 6.144 Gbps 收发器的 Cyclone V GT FPGA

• 具有基于 ARM 的硬核处理器系统 (HPS)和逻辑的 Cyclone VSE SoC FPGA

• 具有基于 ARM 的 HPS 和 3.125 Gbps 收发器的 Cyclone V SX SoC FPGA

• 具有基于 ARM 和 5 Gbps 收发器的 Cyclone V ST SoC FPGA

Cyclone V 体系结构

图1‑25 Cyclone V 体系结构

Cyclone V 收发器

低成本收发器各有不同。借助 Intel Cyclone® V FPGA 系列的灵活性，您可以全面利用所有收发器资源，在体积更小、成本更低的器件中实现设计。Cyclone V FPGA 能够非常灵活的通过增强构建模块以尽可能低的功耗来实现独立协议和专用协议。

Cyclone V SoC

FPGA使用宽带互联干线链接，IntelSoC 集成了基于 ARM 的硬核处理器系统 (HPS)，包括处理器、外设和存储器接口。Cyclone® V SoC 在一个基于 ARM 的用户可定制芯片系统 (SoC) 中集成了分立处理器、FPGA 和数字信号处理 (DSP) 功能，帮助您降低了系统功耗、系统成本，减小了电路板面积，提高了系统性能。IntelFPGA 同时实现了硬核知识产权(IP) 的性能和低功耗特性以及可编程逻辑的灵活性。

功耗降低 40%，Intel 的 Cyclone V FPGA 采用了 28-nm 低功耗 (LP) 工艺技术进行开发，为需要 5G 收发器的应用提供了最低功耗解决方案。与前几代产品相比，Cyclone VFPGA 功耗降低了 40%，均衡的降低了所有领域的功耗。

表 1‑16 Cyclone V E FPGA 系列简介

PS：其他表格详见附件的PDF文档。

2.中端FPGA Arria系列

简评：Arria GX FPGA 是获得大奖的中端 FPGA 系列。Arria GX FPGA采用了与成熟的 Stratix? II GX 系列相同的收发器技术。通过改进收发器，开发高效的 I/O 单元， Arria GX FPGA 为当今的主流高速协议连接提供了高性价比解决方案。

Arria II系列FPGA

简评：40-nm Arria II FPGA系列是功耗最低的FPGA，并且带有6.375-Gbps收发器、高达 550 MHz 的高性能数字信号处理 (DSP)。

Arria V系列FPGA

简评：10G/40G线路卡以及演播室调音台等中端应用，28-nm Arria V FPGA系列为这些应用提供了功耗最低、带宽最大的FPGA

· 6.5536-Gbps Arria V GX FPGA

· 10.3125-GbpsArria V GT FPGA

· 12.5 Gbps收发器的Arria V GZ FPGA

· ARM(HPS) 6.375-GbpsArria V SX SoC FPGA

· ARM(HPS) 10.3125-GbpsArria V ST SoC FPGA

3.高端FPGA Stratix系列

Stratix II GX FPGA I/O/Stratix II GX20 FPGA

简评：Stratix II GX器件在收发器模块中含有特定的硬件知识产权（IP），支持多种主要协议，包括PCI Express、通用电气接口6 Gbps（CEI-6G）、串行数字接口（SDI）、XAUI、SONET、千兆以太网、SerialRapidIOTM 和SerialLite II标准。也可以旁路模块，为定制收发器应用提供解决方案。

在Stratix GX器件中，对收发器进行了优化，可提供低功耗解决方案，特别适合散热困难的背板应用。

Stratix II GX器件采用1.2V、90nm、SRAM工艺，密度范围为33,880至132,540等价LE，具有6.7 Mbits的片内RAM，数字信号处理（DSP）模块提供的（18位×18位）嵌入式乘法器数量高达252个。

除了高速收发器以外，Stratix II GX可提供76个源同步差分信号I/O引脚，带有专用动态相位对齐（DPA）电路，可工作在最大1 Gbps速率下。I/O引脚还具有专用串化器/解串器（SERDES）电路，支持LVDS和HyperTransport? 差分I/O电气标准，以及高速通信接口—包括万兆以太网XSBI、SFI-4、PI-4.2、HyperTransport、RapidIO?和UTOPIA IV标准。

Stratix II GX FPGA系列具有8个锁相环（PLL）和16个全局时钟网络，提供含有多级时钟结构的完整时钟管理解决方案。此外，Stratix II器件还具有设计安全、片内匹配和远程系统升级能力。

Stratix III FPGA 系列

Stratix III FPGA 系列含有以下几种型号：

· Stratix III L 器件主要针对逻辑较多的应用

· Stratix III E 器件主要针对数字信号处理 (DSP) 和存储器较多的应用

简评：1)Stratix III 器件具有纵向移植能力，不仅在L和E型号内部，而且在型号之间都可以实现移植，在器件选择上非常灵活。 Stratix III FPGA第一次可以用作Stratix IV E器件的移植平台。应用笔记AN557：Stratix III至Stratix IV E跨系列移植指南详细介绍了这一移植途径。2)业界领先的体系结构：Intel的Stratix系列有业界一流的体系结构，并进一步在65-nm工艺节点上进行了优化。因此，Stratix III FPGA是您新一代高端系统设计的理想解决方案。3)Stratix IIIFPGA的关键增强特性包括：

· 在所有高性能FPGA中，最低的功耗需求 - 比 Stratix II 低 50％，没有热沉或者强制空气散热带来的可靠性风险；

· 更好的性能推动了下一代系统的发展 – 性能比 Stratix II 高性能FPGA提高了25％；

· 更大的容量使您能够实现集成度更高的产品，从而降低了成本和电路板面积 – 容量是Stratix II FPGA的两倍；

· 高达533-MHz DDR3的高性能存储器接口；

· 性能达到1.6 Gbps的LVDS，在LVDS I/O上支持串行千兆位介质无关接口(SGMII)。

Stratix IV系列FPGA

简评：Intel 的40-nm解决方案进一步提高了芯片系统 (SoC) 的集成度，使您能够彻底的进行产品创新。Stratix IV FPGA 的8.5 Gbps收发器和快速DDR3存储器接口实现了前所未有的系统带宽，其基础架构具有最高的密度、最好的性能和最低的功耗。Stratix IV FPGA 与HardCopy IV ASIC 结合后，实现了 FPGA和ASIC低风险原型开发的优势。

Stratix IV FPGA 系列包括以下三种器件型号：

· Stratix IV GT (基于收发器) FPGA：具有 530K 逻辑单元 (LE) 和 48 个全双工基于 CDR 的收发器，速率达到11.3 Gbps；

· Stratix IV GX (基于收发器) FPGA：具有 530K 逻辑单元 (LE) 和 48 个全双工基于 CDR 的收发器，速率达到8.5 Gbps；

· Stratix IV E (增强型器件) FPGA：具有 820K LE，23.1-Mbit RAM，1,288 个 18 x 18 位乘法器。

特点：Stratix IV FPGA 支持纵向移植，在每一系列型号中都能灵活的进行器件选择。而且， Stratix III 和 Stratix IV E器件之间有纵向移植途径，因此，您现在可以在 Stratix III 器件上启动设计，不需要改动 PCB 就能够转到容量更大的Stratix IV E 器件上。

Stratix V系列FPGA

简评：Intel 28-nm Stratix V FPGA在高端应用中实现了业界最大带宽和最高系统集成度，非常灵活，降低了成本和总功耗。

Stratix V FPGA系列包括四个器件型号：

· 带有收发器的Stratix V GX FPGA：集成了66个全双工、支持背板应用的14.1-Gbps收发器，以及高达800 MHz的6 x72位DIMM DDR3存储器接口；

· 带有增强数字信号处理(DSP)功能和收发器的Stratix V GS FPGA：集成了4,096个18位 x 18位高性能精度可调乘法器、支持背板应用的48个全双工、14.1-Gbps收发器，以及高达800 MHz的7 x72位DIMM DDR3存储器接口；

· 带有收发器的Stratix V GT FPGA：集成了4个28-Gbps收发器，32个全双工、支持12.5Gbps背板应用的收发器，以及高达800 MHz的4 x72位DIMM DDR3存储器接口；

· Stratix V E FPGA：具有950K LE、52 Mb RAM、704个18位 x 18位高性能精度可调乘法器和840个I/O。

1.1.1 Intel FPGA主流芯片命名规则

Intel主流FPGA产品在1.3.2节已经介绍了，简单总结：

Intel 的主流FPGA分为两大类，一种侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求，如Cyclone，CycloneII；还有一种侧重于高性能应用，容量大，性能能满足各类高端应用，如Startix，StratixII等，用户可以根据自己实际应用要求进行选择。在性能可以满足的情况下，优先选择低成本器件。

* Cyclone（飓风）：Intel中等规模FPGA，2003年推出，0.13um工艺，1.5v内核供电，与Stratix结构类似，是一种低成本FPGA系列，是目前主流产品，其配置芯片也改用全新的产品。

简评：Intel最成功的器件之一，性价比不错，是一种适合中低端应用的通用FPGA，推荐使用。

*CycloneII：Cyclone的下一代产品，2005年开始推出，90nm工艺，1.2v内核供电，属于低成本FPGA，性能和Cyclone相当，提供了硬件乘法器单元。简评：刚刚推出的新一代低成本FPGA，目前市场零售还不容易买到，估计从2005年年底开始，将逐步取代Cyclone器件，成为Intel在中低FPGA市场中的主力产品。

*CycloneIII FPGA系列2007年推出，采用台积电(TSMC)65nm低功耗(LP)工艺技术制造，以相当于ASIC的价格实现了低功耗。

*Cyclone IV FPGA系列2009年推出，60nm工艺，面向对成本敏感的大批量应用，帮助您满足越来越大的带宽需求，同时降低了成本。

*CycloneV FPGA系列2011年推出，28nm工艺，实现了业界最低的系统成本和功耗，其性能水平使得该器件系列成为突出您大批量应用优势的理想选择。与前几代产品相比，它具有高效的逻辑集成功能，提供集成收发器型号，总功耗降低了40%，静态功耗降低了30%。

* Stratix ：Intel大规模高端FPGA,2002年中期推出，0.13um工艺，1.5v内核供电。集成硬件乘加器，芯片内部结构比Intel以前的产品有很大变化。简评：Startix芯片在2002年的推出，改变了Intel在FPGA市场上的被动局面。该芯片适合高端应用。随着2005年新一代StratixII器件的推出，将被StratixII逐渐取代。