1.2.5 FPGA芯片与设计的性能指标
1．FPGA芯片指标
目前，FPGA芯片已到SOC设计的能力，其指标已不再是单一的逻辑单元数量，而是融入了内嵌硬核组件的概念，可分为基本指标和附加指标两大类。

（1）基本指标
FPGA芯片的基本指标包括逻辑单元数（等效的逻辑门数）、可用的I/O管脚数、片内存储器资源（内嵌硬核块RAM以及分布式RAM）、时钟管理单元（PLL和DCM）、高速I/O接口模块（MGT）、内嵌硬核乘加器（DSP单元）、嵌入式硬核CPU（PowerPC系列）等。其中，各类资源的地位是平等的。硬核资源使用简单，不占用额外的逻辑资源，且硬核组件具有更低的功耗和更高的速度，最受设计者欢迎。
 
（2）附加指标
附加指标包括功耗、成本、速度等级、设计的安全性、温度范围、抗干扰能力、体积、封装以及工艺等。功耗不仅和器件参数有关，还和用户设计有关，因此在低功耗应用中首先要选择低功耗芯片，再从设计上入手才能达到最优目标。速度等级越高的芯片，正常工作的频率就越高，如Xilinx Virtex5系列，SX35分为-10、-11和-12三种。其中，-12芯片所能达到的最高频率最高，其余等级依次递减50MHz。基于反镕丝器件的抗干扰性能一般都高于基于SRAM技术的芯片。目前，FPGA的生产工艺已达到65nm，制造工艺越先进，逻辑门数和速率会更高，而功耗和成本却更低，整体性能就越好。业界的第一款65nm芯片就是Xilinx公司的Virtex 5系列中的LX50与LX50T。

2．FPGA设计指标
FPGA设计首要指标是功能的完备性，这是任何设计都必须完成的。其次，主要包括“面积”和“速度”指标，是设计的深层次要求。从实用角度来讲，后者的重要性并不亚于功能完整性。

这里的“面积”主要是指设计所占用的FPGA逻辑资源数目，利用所消耗的触发器（FF）、查找表（LUT）以及各类嵌入式硬核来衡量。“速度”是指在芯片上稳定运行时所能够达到的最高频率。面积和速度这两个指标始终贯穿着FPGA的设计，是评价设计质量的最终标准。本节主要讨论设计中的一个基本原则，即面积和速度的互换原则。

面积和速度是一对对立和统一的矛盾体。一方面，要提高速度，就需要消耗更多的资源，即需要更大的面积；另一方面，为了减少面积，就需要降低处理速度。所以既要提高速度，又要减少面积，是不可能同时实现的。但在实际中，总是存在二者之间的平衡，也意味着二者可以互换。面积和速度互换的具体操作很多，比如模块复用、乒乓操作、串并变换以及流水线操作。在Xilinx公司的设计软件ISE中，提供了多类辅助工具来帮助用户在面积和速度之间达到最佳的平衡。下面给出一个通过串并变换来获取速度的实例。
例1-2：通过串并变换的方法让50MHz乘法器组成的系统吞吐量达到150MHz。

 

图1-7 串并转换的示意图

如图1-7所示，假设数据速率是乘法器模块处理速度的3倍，那么由于乘法器模块的数据吞吐量满足不了要求，在这种情况下，就利用面积换速度的思想，复制3个乘法器模块。首先将输入数据进行串并转换，然后利用这3个模块并行处理所分配到的数据，最后将处理结果并串转换，达到数据速率的要求。这个例子只是对面积换速度思想的一个简单举例，在具体操作过程中，还涉及到很多方法和技巧，需要读者从大量实例中自己体会。在后续章节中，我们还会逐步地应用这一互换思想。

 

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