1.4.1 Xilinx FPGA芯片介绍
Xilinx公司目前有两大类FPGA产品：Spartan类和Virtex类，前者主要面向低成本的中低端应用，是目前业界成本最低的一类FPGA；后者主要面向高端应用，属于业界的顶级产品。这两个系列的差异仅限于芯片的规模和专用模块上，都采用了先进的0.13 、90 甚至65 制造工艺，具有相同的卓越品质。
1．Spartan类
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、Spartan-2E、Spartan-3、Spartan-3A以及Spartan-3E等种类。其中Spartan-2最高可达20万系统门，Spartan-2E最高可达60万系统门，Spartan-3最高可达500万门，Spartan-3A和Spartan-3E不仅系统门数更大，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。
（1）Spartan-2系列
Spartan-2在Spartan系列的基础上继承了更多的逻辑资源，达到更高的性能，芯片密度高达20万系统门。由于采用了成熟的FPGA结构，支持流行的接口标准，具有适量的逻辑资源和片内RAM，并提供灵活的时钟处理，可以运行8位的PicoBlaze软核，主要应用于各类低端产品中。其主要特点如下所示：
- 采用0.18 工艺，密度达到5292逻辑单元；
- 系统时钟可以达到200MHz；
- 采用最大门数为20万门，具有延迟数字锁相环；
- 具有可编程用户I/O；
- 具有片上块RAM存储资源；
Spartan-2系列产品的主要技术特征如表1-2所示。
表1-2 Spartan-2系列 FPGA主要技术特征
（2）Spartan-2E 系列
Spartan-2E基于Virex-E架构，具有比Spartan-2更多的逻辑门、用户I/O和更高的性能。Xilinx还为其提供了包括存储器控制器、系统接口、DSP、通信以及网络等IP核，并可以运行CPU软核，对DSP有一定的支持。其主要特点如下所示：
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采用0.15 工艺，密度达到15552逻辑单元；
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最高系统时钟可达200MHz；
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最大门数为60万门，最多具有4个延时锁相环；
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核电压为1.2V，I/Q电压可为1.2V、3.3V、2.5V，支持19个可选的I/O标准；
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最大可达288k的块RAM和221K的分布式RAM；
Spartan-2E系列产品的主要技术特征如表1-3所示。
表1-3 Spartan-2E系列 FPGA主要技术特征
（3）Spartan-3系列
Spartan-3基于Virtex-II FPGA架构，采用90 技术，8层金属工艺，系统门数超过5百万，内嵌了硬核乘法器和数字时钟管理模块。从结构上看，Spartan-3将逻辑、存储器、数学运算、数字处理器处理器、I/O以及系统管理资源完美地结合在一起，使之有更高层次、更广泛的应用，获得了商业上的成功，占据了较大份额的中低端市场。其主要特性如下：
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采用90 工艺，密度高达74880逻辑单元；
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最高系统时钟为340MHz；
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具有 的专用乘法器；
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核电压为1.2V，端口电压为3.3V、2.5Ｖ、1.2V，支持24种I/O标准；
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高达520k分布式RAM和1872k的块RAM；
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具有片上时钟管理模块（DCM）；
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具有嵌入式Xtrema DSP功能，每秒可执行3300亿次乘加。
Spartan-3系列产品的主要技术特征如表1-4所示。
表1-4 Spartan-3系列 FPGA主要技术特征
（4）Spartan-3A/3ADSP/3AN系列
Spartan-3A 在Spartan-3和Spartan-3E平台的基础上，整合了各种创新特性帮助客户极大地削减了系统总成本。利用独特的器件DNA ID技术，实现业内首款 FPGA 电子序列号；提供了经济、功能强大的机制来防止发生窜改、克隆和过度设计的现象。并且具有集成式看门狗监控功能的增强型多重启动特性。支持商用 flash 存储器，有助于削减系统总成本。其主要特性为：
- 采用90 工艺，密度高达74880逻辑单元；
- 工作时钟范围为5MHz~320MHz；
- 领先的连接功能平台，具有最广泛的 IO 标准（26 种，包括新的 TMDS 和 PPDS）支持；
- 利用独特的 Device DNA 序列号实现的业内首个功能强大的防克隆安全特性；
- 五个器件，具有高达 1.4M 的系统门和 502 个 I/O；
- 灵活的功耗管理。
Spartan-3A系列产品的主要技术特征如表1-5所示。
表1-5 Spartan-3A系列 FPGA主要技术特征
Spartan-3ADSP平台提供了最具成本效益的 DSP 器件，其架构的核心就是 XtremeDSP DSP48A slice，还提供了性能超过30GMAC/s、存储器带宽高达2196 Mbps的新型 XC3SD3400A和XC3SD1800A器件。新型Spartan-3A DSP 平台是成本敏感型 DSP 算法和需要极高DSP性能的协处理应用的理想之选。其主要特征如下所示。
- 采用90 工艺，密度高达74880逻辑单元；
- 内嵌的DSP48A可以工作到250MHz；
- 采用结构化的SelectRAM架构，提供了大量的片上存储单元；
- VCCAUX的电压支持2.5V和3.3V，对于3.3V的应用简化了设计；
- 低功耗效率，Spartan-3A DSP器件具有很高的信号处理能力4.06 GMACs/mW。
Spartan-3ADSP系列产品的主要技术特征如表1-6所示。
表1-6 Spartan-3ADSP系列 FPGA主要技术特征
Spartan-3AN芯片为最高级别系统集成的非易失性安全FPGA，提供下列2个独特的性能：先进SRAM FPGA的大量特性和高性能以及非易失性FPGA的安全、节省板空间和易于配置的特性。Spartan-3AN平台是对空间要求严苛和/或安全应用及低成本嵌入式控制器的理想选择。Spartan-3AN平台的关键特性包括：
- 业界首款90nm非易失性FPGA，具有可以实现灵活的、低成本安全性能的Device DNA电子序列号；
- 业内最大的片上用户Flash，容量高达11Mb；
- 提供最广泛的I/O标准支持，包括26种单端与差分信号标准
- 灵活的电源管理模式，休眠模式下可节省超过40%的功耗
- 五个器件，具有高达1.4M的系统门和502个I/O
Spartan-3AN系列产品的主要技术特征如表1-7所示
表1-7 Spartan-3ADSP系列 FPGA主要技术特征
（5）Spartan-3E系列
Spartan-3E是目前Spartan系列最新的产品，具有系统门数从10万到160万的多款芯片，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公司性价比最高的FPGA芯片。由于更好地利用了90 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，是ASIC的有效替代品，主要面向消费电子应用，如宽带无线接入、家庭网络接入以及数字电视设备等。其主要特点如下：
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采用90 工艺；
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大量用户I/O端口，最多可支持376个I/O端口或者156对差分端口；
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端口电压为3.3V、2.5Ｖ、1.8V、1.5V、1.2V ；
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单端端口的传输速率可以达到622 ，支持DDR接口；
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最多可达36个 的专用乘法器、648 块RAM、231 分布式RAM；
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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1-8所示。
表1-8 Spartan-3E系列 FPGA主要技术特征
2.Virtex类
Virtex系列是Xilinx的高端产品，也是业界的顶级产品，Xilinx公司正是凭借Vitex系列产品赢得市场，从而获得FPGA供应商领头羊的地位。可以说Xilinx以其Virtex-5、Virtex-4、Virtex-II Pro和Virtex-II系列FPGA产品引领现场可编程门阵列行业。主要面向电信基础设施、汽车工业、高端消费电子等应用。目前的主流芯片包括：Vitrex-2、Virtex-2 Pro、Vitex-4和Virtex-5等种类。
（1）Vitrex-2系列
Vitrex-2系列具有优秀的平台解决方案，这进一步提升了其性能；且内置IP核硬核技术，可以将硬IP核分配到芯片的任何地方，具有比Vitex系列更多的资源和更高的性能。其主要特征如下所示：
- 采用0.15/0.12 工艺；
- 核电压为1.5V，工作时钟可以达到420MHz；
- 支持20多种I/O接口标准；
- 内嵌了多个 硬核乘法器，提高了DSP处理能力；
- 具有完全的系统时钟管理功能，多达12个DCM模块。
Virtex-2系列产品的主要技术特征如表1-9所示。
表1-9 Virtex-2系列 FPGA主要技术特征
（2）Virtex-2Pro系列
Virtex-2 Pro系列在Virtex-2的基础上，增强了嵌入式处理功能，内嵌了PowerPC405内核，还包括了先进的主动互联（Active Interconnect）技术，以解决高性能系统所面临的挑战。此外还增加了高速串行收发器，提供了千兆以太网的解决方案。其主要特征如下所示：
- 采用0.13 工艺；
- 核电压为1.5V，工作时钟可以达到420MHz；
- 支持20多种I/O接口标准；
- 增加了2个高性能RISC技术、频率高达400MHz的PowerPC处理器；
- 增加多个3.125Gbps速率的Rocket串行收发器；
- 内嵌了多个 硬核乘法器，提高了DSP处理能力；
- 具有完全的系统时钟管理功能，多达12个DCM模块。
Virtex-2 Pro系列产品的主要技术特征如表1-10所示。
表1-10 Virtex-2 Pro系列 FPGA主要技术特征
（3）Vitex-4系列
Virtex-4器件整合了高达200,000个的逻辑单元，高达500 MHz的性能和无可比拟的系统特性。Vitex-4产品基于新的高级硅片组合模块（ASMBL）架构，提供了一个多平台方式（LX、SX、FX），使设计者可以根据需求选用不同的开发平台；逻辑密度高，时钟频率能够达到500MHz；具备DCM模块、PMCD相位匹配时钟分频器、片上差分时钟网络；采用了集成FIFO控制逻辑的500MHz SmartRAM技术，每个I/O都集成了ChipSync源同步技术的1 Gbps I/O和Xtreme DSP逻辑片。其主要特点如下：
- 采用了90 工艺，集成了高达20万的逻辑单元；
- 系统时钟500MHz；
- 采用了集成FIFO控制逻辑的500MHz Smart RAM 技术；
- 具有DCM模块、PMCD相位匹配时钟分频器和片上差分时钟网络；
- 每个I/O都集成了ChipSync源同步技术的1Gbps I/O；
- 具有超强的信号处理能力，集成了数以百计的XtremeDSP Slice，单片最大的处理速率为 。
Vitex-4 LX平台FPGA的特点是密度高达20万逻辑单元，是全球逻辑密度最高的FPGA系列之一，适合对逻辑门需求高的设计应用。
Virtex-4 SX平台提高了DSP、RAM单元与逻辑单元的比例，最多可以提供512个XtremeDSP硬核，可以工作在500MHz，其最大的处理速率为 ，并可以以其创建40多种不同功能，并能多个组合实现更大规模的DSP模块。与Vitex-2 Pro系列相比，还大大降低了成本和功耗，具有极低的DSP成本。SX平台的FPGA非常适合应用于高速、实时的数字信号处理领域。
Virtex-4 FX平台内嵌了1~2个32位RISC PowerPC处理器，提供了4个1300 Dhrystone MIPS、10/100/1000自适应的以太网MAC内核，协处理器控制器单元（APU）允许处理器在FPGA中构造专用指令，使FX器件的性能达到固定指令方式的20倍；此外，还包含24个Rocket I/O串行高速收发器，支持常用的0.6Gbps、1.25 Gbps、2.5 Gbps、3.125 Gbps、4 Gbps、6.25 Gbps、10 Gbps等高速传输速率。FX平台适用于复杂计算和嵌入式处理应用。
Virtex-4系列产品的主要技术特征如表1-11所示。
表1-11 Virtex-4系列 FPGA主要技术特征
（5）Virtex-5系列
Virtex-5系列是Xilinx最新一代的FPGA产品，计划提供了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以及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：
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采用了最新的65 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；
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利用65nm ExpressFabric技术，实现了真正的6输入LUT，并将性能提高了2个速度级别。
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内置有用于构建更大型阵列的 FIFO 逻辑和 ECC 的增强型36 Kbit Block RAM带有低功耗电路，可以关闭未使用的存储器。
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逻辑单元多达330,000个，可以实现无与伦比的高性能；
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I/O引脚多达1,200个，可以实现高带宽存储器/网络接口，1.25 Gbps LVDS；
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低功耗收发器多达24个，可以实现100 Mbps - 3.75 Gbps高速串行接口；
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核电压为1V，550 MHz系统时钟；
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550 MHz DSP48E slice内置有25 x 18 MAC，提供352 GMACS的性能，能够在将资源使用率降低50%的情况下，实现单精度浮点运算；
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利用内置式PCIe端点和以太网MAC模块提高面积效率 ；
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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PLL和用于各种时钟综合的数字时钟管理器（DCM）；
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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；
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增强了器件配置，支持商用flash存储器，从而降低了成本。
现有的Virtex-5系列产品的主要技术特征如表1-12所示。
表1-12 Virtex-5系列 FPGA主要技术特征
注：一个Virtex-5 Slice具有4个LUT和4个触发器，而一个前文所提及的常规Slice只包含2个LUT个2个触发器。每个DSP48E包含一个25*18位的硬核乘法器、一个加法器和一个累加器。
1.4.2 Xilinx PROM芯片介绍
Xilinx公司的Platform Flash PROM能为所有型号的Xilinx FPGA提供非易失性存储。全系列PROM的容量范围为1Mbit到32Mbit，兼容任何一款Xilinx的FPGA芯片，具备完整的工业温度特性（ 到 ），支持IEEE1149.1所定义的JTAG边界扫描协议。
PROM芯片可以分成3.3V核电压的 系列和1.8V核电压的 系列两大类，前者主要面向底端引用，串行传输数据，且容量较小，不具备数据压缩的功能；后者主要面向高端的FPGA芯片，支持并行配置、设计修订（Designing Revisioning）和数据压缩（Compression）等高级功能，以容量大、速度快著称，其详细参数如表1-13所示。
表1-13 Xilinx公司PROM芯片总结
系列包含XCF01S、XCF02S和XCF04S（容量分别为：1Mb、2Mb和4Mb），其共同特征有3.3V核电压，串行配置接口以及SOIC封装的VO20封装。 内部控制信号、数据信号、时钟信号和JTAG信号的整体结构如图1-8所示。
图1-8 XCF01S/XCF02S/XCF04S PROM结构组成框图
系列有XCP08P、XCF16P和XCF32P（容量分别为：8Mb、16Mb和32Mb），其共同特征有1.8V核电压、串行或并行配置接口、设计修订、内嵌的数据压缩器、FS48封装或VQ48封装和内嵌振荡器。 内部控制信号、数据信号、时钟信号和JTAG信号的整体结构如图1-9所示，其先进的结构和更高的集成度在使用中带来了极大的灵活性。
图1-9 XCP08P/XCF16P/XCF32P PROM结构组成框图
值得一提的是 系列设计修正和数据压缩这两个功能。设计修订功能在FPGA加电启动时改变其配置数据，根据所需来改变FPGA的功能，允许用户在单个PROM中将多种配置存储为不同的修订版本，从而简化FPGA配置更改，在FPGA内部加入少量的逻辑，用户就能在PROM中存储多达4个不同修订版本之间的动态切换。数据压缩功能可以节省PROM的空间，最高可节约50%的存储空间，从而降低成本，是一项非常实用的技术。当然如果编程时在软件端采用了压缩模式，则需要一定的硬件配置来完成相应的解压缩。
1.5 本章小结
本章首先介绍了FPGA器件的基本概念和发展历史；然后详细介绍了FPGA器件的工作原理、芯片结构以及组成部件，并在此基础上讨论了FPGA的开发流程，给出传统的开发方法以及SOC阶段的设计方法；最后列举了Xilinx公司的主流FPGA芯片和PROM芯片，这些芯片被广泛地应用在数字系统设计中，熟悉了解其性能指标和参数是Xilinx芯片开发人员所必须的。
