高效、低成本的 FPGA 器件：Spartan-7 FPGA！

赛灵思 Spartan®-7 系列提供了一系列高效、低成本的 FPGA 器件。这些器件经过专门设计，能满足低成本市场的特殊需求。

摘要
Spartan®-7 FPGA 将高性能 28nm 可编程架构与低成本小尺寸封装完美结合在一起，同时满足高性能与小型 PCB 尺寸需求。

Spartan-7 系列器件的主要优势包括 ：
• 采用 28HPL （High performance/low power 高性能低功耗）工艺，具有最高单位功耗性能比
• 28nm 架构扩展，可实现设计复用
• Vivado® Design Suite 可实现简单的低成本设计输入与验证

上述优势使得 Spartar-7 FPGA 系列可以低功耗、低总成本为设计人员提供了必要资源，可满足低成本应用的要求。
 

简介

赛灵思 Spartan®FPGA 系列自 1998 年问世以来就一直是业界领先的成本优化型 FPGA 产品系列。该系列包含数代成本优化型小尺寸器件，旨在实现桥接、交换、控制、处理、接口等功能。但为了满足当今低成本应用（诸如工业物联网 (I-IoT)、高级驾驶员辅助系统 (ADAS)/ 驾驶员感知系统以及新一代通信系统等）的性能和功能要求，单单逻辑远不能满足其需求。为应对日益提高的功能和小尺寸要求，Spartan-7 系列致力于在小面积封装中提供成本优化的高性能可编程逻辑。

选择最佳工艺

赛灵思在开发 7 系列（Artix®-7、Kintex®-7 以及 Virtex®-7）器件过程中与台积公司 (TSMC) 通力合作，共同开发出了 28nm HPL 工艺。高介电层金属闸 (HKMG) 工艺提供了高性能与低功耗的最佳组合，能帮助打造出满足不同市场需求的不同产品系列。Spartan-7 FPGA 采用与成熟的 7 系列相同的 28HPL 工艺，以及众多底层架构元件，从而使其成为结构紧凑的成本优化型 FPGA 系列器件。该产品系列具备很高的逻辑和 I/O 性能，功耗也得到严格控制，可采用很小的封装，而且价格低廉。得益于工艺的灵活性，该器件可在两种不同内核电压下工作，使用户能够在最高性能与最低功耗之间权衡。与竞争对手的FPGA 使用的 28LP （Low Power 低功耗）工艺相比，28HPL 工艺具有足够宽的工作窗口，使器件能实现更好的性能 / 功耗指标，即以更低功耗实现更高性能。见图 1。

图 1 ：Spartan-7 FPGA 28HPL 工艺的优势

为成功而构建

逻辑结构是所有 FPGA 架构的核心。逻辑单元是器件容量与功能的统一测量标准，设计人员要想理解用器件能做什么事情，还需要深入了解一下其中的构建模块。Spartan-7 FPGA 采用一个包含 Slice 的可配置逻辑块 (CLB) ；Slice 由查找表 (LUT)、进位链和寄存器构成。这些 Slice 经过配置可以执行逻辑功能、算数功能、存储器功能以及移位寄存器功能。

随着 Spartan-7 FPGA 产品的更新换代，CLB 中的资源数量也在发展演变，以便不断以合适的成本提供最佳功能。例如，第一代 Spartan 器件（于上世纪 90 年代末推出）中的 CLB 包含一个 3 输入 LUT、两个 4输入 LUT 和两个寄存器。与 Spartan-7 FPGA 的 CLB 中的八个 6 输入 LUT 和十六个寄存器相比，不难看出器件功能的进步。见图 2。

图 2 ：Spartan-7 FPGA LUT 与寄存器连接

Spartan-7 FPGA 中的 LUT 可以配置成一个具有单个输出的 6 输入 LUT，或者配置成具有独立输出的两个 5 输入 LUT。每个 LUT 都可在触发器中可选择性地寄存。四个 LUT 和八个触发器构成一个 Slice，两个 Slice 构成一个 CLB。部分 Slice 还可以将它们的 LUT 作为分布式 64 位 RAM 或作为 32 位移位寄存器(SRL32)。

这些灵活、强大的功能都可由 Vivado® Design Suite 的综合阶段直接实现，使用户能方便地利用这些高级功能，且无需花时间学习各个模块的端口和信号名称。Spartan-7 FPGA 提供的高设计效率不仅限于LUT 和寄存器 ；还为设计人员提供了专门用于处理和存储数字信号的模块。

DSP

音频与视频内容在新型系统中越来越普及。需要高速数学性能对数字化音频和视频数据进行操作。为了便于在这样的环境中开展设计工作，所有 Spartan-7 FPGA 都包含一系列 DSP 模块，每个模块包含两个DSP Slice。每个 Slice 都包含一个 25x18 乘法器和一个 48 位累加器——可在 550MHz 或更高频率下工作。见图 3。

图 3 ：Spartan-7 FPGA DSP48 模块