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容纳更多逻辑,体验 Altera Stratix II FPGA 的与众不同

Tasting The Differences Of Stratix II Which Containing Far More Logics

Altera中国南方区现场应用工程师  郭晶


不同的FPGA具有不同的体系结构,因此,在对比不同供货商的器件时,可能会造成混淆。为保证对比的公平性,Altera在70多个真实客户设计的基础上,进行了逻辑密度基准测试。结果表明,与Xilinx Virtex-4 FPGA相比,设计人员能够在Altera Stratix II FPGA中适配更多逻辑。例如:

Stratix II EP2S60 FPGA比相似命名的Virtex-4 XC4VLX60器件逻辑多出18%,为以后的设计增长留有更多空间。

Stratix II EP2S180 FPGA容量要大于XC4VLX200 FPGA。EP2S180器件逻辑多出5%,存储器多出50%,DSP资源是其4倍,用户I/O引脚多出21%。


FPGA逻辑密度

高密度FPGA等效4输入查找表(LUT)密度现在每两年翻一倍,同时越来越多的功能引入到了FPGA中,如存储器、CPU、DSP等,但功能的复杂也增加了产品的面市时间。

要使得FPGA达到更高的密度、实现更复杂的功能,同时又便于开发以缩短上市时间,基本逻辑架构是关键。在过去十年中,大概95%的FPGA都是基于4输入的LUT架构,这样基本的逻辑架构就直接影响到了产品的成本、性能和最大密度,要改变这些,就必须从基本逻辑架构入手。

Altera Stratix II 产品引入崭新的自适应逻辑模块(ALM),它是使得Stratix II 有更高性能和容量的关键,因为它有更好的组合和逻辑封装,有更少的逻辑和布线级数以及更强的DSP支持。


如何正确衡量逻辑密度

基准测试概述

a、相对科学的基准测试结果可帮助您作出决定;

b、基准测试要产生有意义的结果,必须符合以下条件:
首先必须采用大量的真实设计,其次测试方法对所有的被测对象是公平的,并能反映出用户的过往经验,最后需要报告所有结果;

c、基准测试结果可让用户预计其设计结果。

密度基准测试

这里的密度是指每个芯片中的逻辑数量;目的是对比Stratix II 与Virtex-4器件的密度,步骤是定义一个共同的逻辑单位,即:确定1个Stratix II ALM等于多少个Virtex-4 Slices;下面就对Stratix II 与Virtex-4一系列器件进行比较。

基准测试流程

首先把HDL原码放入Synplify Pro 8.0,针对不同的器件生出来的表格放入不同的工具里,各自的工具是:Stratix II Synplify Pro 8.0用的是Quartus II软件5.0;Virtex-4 Synplify Pro 8.0用的是ISE 7.1i SP1。两个软件都进行面积的最优化,然后进行资源的对比。

具体的基准测试方法

采用74个真实的客户设计(每个设计中约95%的逻辑是纯HDL代码,另外5%是每个供应商各自特别优化的)。
设计中采用一些特别的设置,使得面积可以优化,另外选择尽可能最小的器件,同时保持高速的标准。

基准测试结果

根据逻辑密度对比:Stratix II 占有优势,ALM能够比Slice适配多出30%的逻辑。

根据工具的编译时间对比:编译时间上Stratix II 也占有优势,在优化面积时,Quartus II软件可节省63%的编译时间。
根据存储器使用率的对比:Quartus II在优化面积时可节省54%的内存。

结论

基于以上结果,得出如下结论:

Stratix II ALM = 1.3 Virtex-4 Slices;

1 Virtex-4 Slices = 2等效4-LUTs = 24-LUT加上两个附加复用器。

如对测试有任何异疑,请登录http://www.opencores.org网站下载相应设计验证。


FPGA体系结构对比

在FPGA中实现设计时首先要把源代码经过逻辑分析产生逻辑门,再把逻辑门打包成为查找表。

4输入查找表是个折衷的选择,可以很好地平衡芯片成本和逻辑延时;而ALM在增加LUT逻辑结构的输入数量时,成本增加的很少。

另外,软件对Stratix II FPGA的支持也很好,Quartus II和第三方综合工具都会有效地将逻辑分拆成LUT的组合,再根据Stratix II的实际情况进行打包,变成不同输入LUT,然后进行布局、布线,最后产生FPGA。

下面的图片是Stratix II 与Virtex-4一些设计的对比还有它们各自支持的函数(图1-5)。

图1 Stratix II ALM与Virtex-4 Slices的对比(略)

图2 Stratix II 与Virtex-4宽输入LUT实例对比(略)

图3 Stratix II 与Virtex-4 灵活使用LUT实例对比(略)

图4 Stratix II ALM支持的函数(略)

图5 Virtex-4 Slice支持的函数(略)



综合资料

由于Stratix II的高密度,它现在成为了ASIC原型验证的首选。78%的ASIC现在可以放进1个Stratix II FPGA中,并且由于速度的提高,可以以系统的速度对ASIC进行原型验证,对于ASIC工具的支持是基于所有主流供应商提供的软件。

从硬件上来看,HardCopy II是结构化ASIC,由于FPGA得到固化,单位成本和功耗大幅降低,而高性能仍能保证,这样就让用户能有ASIC的效益,而没有ASIC的烦恼。

从软件上来看,可以说Quartus II是针对大系统的顶级设计软件。
进一步了解Quartus II,请参看Alter的网络研讨会“提高您高密度FPGA设计的效能”;若想从Xilinx转换到Altera,可登陆http://www.altera.com/switch或参阅Altera的应用文档AN307。

中电网在线座谈网址:http://www.chinaecnet.com/050802/jchf.asp。


问答选编

问:贵公司现在能向用户提供免费的IP核支持吗? 用户非常关心。

答: Altera所有的IP核都提供免费的OpenCore Plus 支持,用户可以免费进行仿真,下载到单板上验 证。只有在产品阶段才需要许可。

问:Stratix GX的transceiver 3.1875Gbps的1.5V PCML 接口,我想知道transceiver支持3.3V LVDS\PECL 接口类型的时候,速率最大能达到多少?

答:对于3.3V LVDS\PECL接口而言,最大速率同样是 3.1875Gbps,只是Stratix GX的transceiver接口为 1.5V PCML,当与LVDS\PECL接口相连时,需要加 入交流耦合转换的电阻电容匹配网络。

问:研发初期怎样才能得到贵公司良好的技术支持? 是不是非要需求量很大才能得到好的支持?另 外贵公司是否有开发验证板在大陆地区销售? 我以前使用的是贵公司的CPLD系列,现在想用 FPGA做,从性价比方面考虑,最好从哪种系列产 品着手?

答:无论研发前期还是后期都可以得到我们良好的 技术支持,你可以联系Altera当地代理商。已经 有开发板在销售。原来使用CPLD,现在可以考 虑使用我们基于查找表结构的新的CPLD MAX II, 性 价比很高,如果有RAM需求可以考虑使用Cyclone II 系列。

问:我开发了一个Nios软核,编译成功后下载到UP3 开发板上(cyclone240c8),但选择sof文件,采用 JTAG下载不了,于是把byteblaster2从JTAG口 插到as口,选择pof文件,改用as模式,下载成 功,我想问为什么?是不是采用JTAG模式下 载还要把 up3开发板上的某个引脚设置一下, 比如接高电平或低电平,或还要跳线什么的? 答:两个接口都可下载,没有任何跳线。请确认连接 是否可靠,programmer里面的设置是否正确。

问:PLL的输入可否不来自于引脚,而是来自内部逻 辑?

答:PLL的输入不能来自内部逻辑 。

问:Nios-II软核在性能和速度上与诸如PowerPC硬 核存在和很大的差异,您认为如何利用高性能高 密度Stratix-II 的性能特点加以设计来弥补这种差 异,或者说在速度上可以满足要求?

答:NiosII 支持用户指令,您可以采用FPGA的丰富 作为用户指令,与CPU协同处理,可以大大提高 系统处理能力和灵活性。我们的AVALON总线架 构也是非常灵活的,可以支持多Master,您也可 以采用多处理器并行处理以提高性能。

问:(1)8051 MCU 如何访问FPGA?(2)FPGA 如何访 问SRAM/DRAM?

答:(1)两种方法,一是将MCU的总线连接FPGA,以 Memory方式访问FPGA内的寄存器。二是将MCU 的PIO连接FPGA,直接以IO方式访问。(2)在我 们的SOPC Builder中提供了SRAM/SDRAM/DDR/ Flash等Memory接口模块,用户可以直接用来构 建自己的SOPC系统。

问:请问JTAG 下载模式是不是只能用到调试阶段? 产品不能用吗?

答:这个具体要看你的应用方式,比如产品设计采用 CPU下载方式,也可以通过JTAG方式下载,只是 用CPU来模仿JTAG的时序来完成下载。

问:3V以下的FPGA,如何访问5V的RAM或其他5V 器件?

答:FPGA输出线上拉电阻,输入线(数据)串100 电阻 。

问:未用引脚应如何处理?

答:一般来讲,未使用的单纯普通I/O引脚,不需作 特殊处理,简单悬空即可;对于Dual function I/O, 请参考器件手册中的连接要求接VCC或GND。

问:CPLD可以实现其模拟量的控制吗?比如用它做 一个A/D转换的功能?

答:做不了,CPLD只能实现数字控制,A/D转换需专 门的模拟器件。

问:Stratix II 器件在3.3V供电下,口线的驱动电流最 大是多少?

答:对于Stratix II而言,3.3-V LVTTL的最大驱动电流 是24mA 。

问:StratixII系列中最小的容量为多少个逻辑单元? 价格如何?速度最快可达多少?

答:EP2S15,逻辑单元为15600个。具体价格请联系 当地代理商。速度的最快等级为C3,最高速度在 400M左右,但LVDS管脚支持1000M的速率。

问:学习Nios需要对FPGA十分了解吗?初学者适 合学Nios吗?

答:学习Nios II对FPGA有基本了解即可,初学者学 习Nios II也没有问题,但要有基本的FPGA基 本知识。如需要技术支持可随时联系Altera当 地代理商。

问:一块采用FPGA的PCI开发板负责采集数据并用 DMA方式传送到主机,请问DMA控制器是放在 主机的主板上还是在FPGA的PCI开发板上?

答:需要把DMA控制器放在FPGA的PCI开发板上 。

问:关于乘积项结构和查找表结构我只是知道,却没 有什么深层次了解,比如说两者对具体设计有 什么影响?各自的优缺点是什么?请专家介绍 一下 。

答:乘积项结构的优点是结构简单,时延固定;而查 找表结构的优点是运算功能强大,应用更为灵 活。通常,乘积项结构应用于低端的CPLD,而查 找表结构广泛运用于高端的FPGA。Altera最新 推出的MAX II CPLD采用了与FPGA类似的查找 表结构,在传统CPLD领域提供了更高性能,更优 逻辑设计。

问:FPGA在保密方面处理的如何?

答:Altera的最新StratixII器件提供AES加密功能。 用户可以往FPGA内写入密码,同时用该密码加 密配置文件,将加密后的配置文件烧入配置器件 中,配置数据经FPGA解密后对其进行配置。请 访问Altera网站参阅StratixII Device Handbook。

问:目前有没有计算FPGA芯片功耗方面的评估软件?

答:有。实际上,我们针对每一款FPGA都提供了功 耗估算工具,用户只需从我们的网站上下载相对 应的Excel表格,填入必需的例如逻辑资源使用、 嵌入式内存使用、嵌入式乘法器使用以及I/O资 源使用情况等信息,就可得到估算出的功耗大 小。在我们的Quartus II v5.0中已经包含了相应 的功耗估算软件,用户可以直接调用,不再需要 单独下载。

问:哪类FPGA可用于AGP显示控制?能否在同一 块FPGA上实现DSP和MCU的功能?

答:Stratix系列可以使用。Stratix和StratixII器件都 提供DSP模块和Nios软CPU核,可以集成在一 起使用。

问:我想利用Stratix 的板子跟GPS通信,有什么特别 的要求吗?

答:对于FPGA的设计你只需要相应的系统接口能 对应上,逻辑上可以满足就可以实现你的要 求。

问:无线通讯产品使用FPGA设计,是否更可靠呢?

答:无论是无线通信产品还是别的应用领域,使用 FPGA设计,都可以做到很可靠。如果有要求, 可以加密。

《世界电子元器件》2005.9
         
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