1.5 Xilinx公司FPGA介绍
Xilinx公司目前有两大类FPGA产品：Spartan系列和Virtex系列，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，它们都采用了先进的0.13、90 甚至65 制造工艺，具有相同的卓越品质。
1.5.1 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、Spartan-2E、Spartan-3、Spartan-3A及Spartan-3E等。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500万系统门，Spartan-3A和Spar-tan-3E不仅系统门数更大，而且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。它采用成熟的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0.18nm 工艺，密度达到5292逻辑单元；
系统时钟可以达到200MHz；
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1-3所示。
表1-3 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、通信及网络等的IP核，并且可以运行CPU软核，对DSP有一定的支持。其主要特点如下所示：
采用0.15nm 工艺，密度达到15552逻辑单元；
最高系统时钟可达200MHz；
最大门数为60万门，最多具有4个延时锁相环；
核电压为1.2V，I/O电压可为1.2V、3.3V、2.5V，支持19个可选的I/O标准；
最大可达288KB的块RAM和221KB的分布式RAM。
Spartan-2E系列产品的主要技术特征如表1-4所示。
表1-4 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90nm技术，8 层金属工艺，系统门数超过500万，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。其主要特点如下所示：
采用90nm工艺，密度高达74880逻辑单元；
最高系统时钟为340MHz；
具有专用乘法器；
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；
高达520KB分布式RAM和1872KB的块RAM；
具有片上时钟管理模块（DCM）；
具有嵌入式Xtrema DSP功能，每秒可执行3300亿次乘加运算。
Spartan-3系列产品的主要技术特征如表1-5所示。
表1-5 Spartan-3系列 FPGA主要技术特征
4. Spartan-3A/3A DSP/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，并提供了经济、功能强大的机制来防止发生窜改、克隆和过度设计的现象。它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。其主要特点如下所示：
采用90nm工艺，密度高达74880逻辑单元；
工作时钟范围为5 ～320MHz；
领先的连接功能平台，具有最广泛的 I/O 标准（26 种，包括新的 TMDS 和 PPDS）支持；
利用独特的 Device DNA 序列号实现业内首个功能强大的防复制安全特性；
5 个器件，具有高达140 万的系统门和 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1-6 所示。
表1-6 Spartan-3A系列 FPGA主要技术特征
Spartan-3A DSP 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2196Mbps的新型 XC3SD3400A和XC3SD1800A器件。Spartan-3A DSP 平台是低成本、高性能数字信号处理器的理想选择。其主要特性如下所示：
采用90nm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，其处理速度功耗比可达4.06GMACs/mW。
Spartan-3A DSP系列产品的主要技术特征如表1-7 所示。
表1-7 Spartan-3A DSP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，具有下述两项独特的性能：先进的SRAM FPGA的高性能、非易失性，FPGA的安全特性和易于配置的特性。Spar-tan-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；
5个器件，具有高达140万的系统门和502个I/O。
Spartan-3AN系列产品的主要技术特征如表1-8所示。
表1-8 Spartan-3AN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90nm工艺,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、家庭网络接入及数字电视设备等。其主要特点如下所示：
采用90nm工艺；
大量用户I/O端口，最多可支持376个I/O端口或配置成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622Mbps，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1-9所示。
表1-9 Spartan-3E系列 FPGA主要技术特征
1.5.2 Virtex系列
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-2 Pro和Virtex-2系列FPGA产品引领现场可编程门阵列行业。该系列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Virtex-2、Virtex-2 Pro、Virtex-4和Virtex-5等。
1. Virtex-2系列
Virtex-2系列具有优秀的平台解决方案，这进一步提升了其性能，并且内置IP核硬核技术，可以将IP核硬核分配到芯片的任何地方，具有比Virtex系列更多的资源和更高的性能。其主要特征如下所示：
采用0.15/0.12nm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的处理能力；
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1-10所示。
表1-10 Virtex-2系列 FPGA主要技术特征
2. Virtex-2 Pro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Power PC 405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，该系列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0.13nm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Power PC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的处理能力；
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1-11所示。
表1-11 Virtex-2 Pro系列 FPGA主要技术特征
3. Virtex-4系列
Virtex-4系列整合了高达20 万个逻辑单元，高达500MHz的性能和无可比拟的系统特性。Virtex-4系列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。该系列产品逻辑密度高,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1Gbps I/O和Xtreme DSP逻辑片。其主要特点如下所示：
采用了90nm工艺，集成了高达20万的逻辑单元；
系统时钟为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。
Virtex-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FP-GA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500Mbps，并可以创建40 多种不同的功能，能多个组合实现更大规模的DSP模块。与Virtex-2 Pro系列相比，该系列产品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 Power PC处理器，提供了4 个1300 Dhrys-tone 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，它还包含24 个Rocket I/O 串行高速收发器，支持常用的 0.6Gbps、1.25Gbps、2.5Gbps、3.125Gbps、4Gbps、6.25Gbps、10Gbps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1-12 所示。
表1-12 Virtex-4 系列 FPGA主要技术特征
4. 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。其主要特点如下所示：
采用了最新的65nm工艺，结合低功耗 IP 核将动态功耗降低了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 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。
内置有用于构建更大型阵列的FIFO逻辑和ECC的增强型36Kbit低功耗Block RAM电路，并且可以关闭未使用的存储器。
逻辑单元多达33万个，可以实现无与伦比的高性能。
I/O引脚多达1200 个，可以实现高带宽存储器/网络接口，通过 LVDS 可以实现1.25Gbps数据传输速率。
低功耗收发器多达24个，可以实现100Mbps～3.75Gbps的高速串行接口。
核电压为1V，550 MHz系统时钟。
550 MHz DSP48E Slice内置有25 × 18 MAC，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。
利用内置式PCIe端点和以太网MAC模块提高系统的面积使用效率。
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，改善了信号的完整性，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。
现有的Virtex-5 系列产品的主要技术特征如表1-13 所示。
表1-13 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和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。