深入解析IGLOO2 FPGA與SmartFusion2 SoC FPGA：性能、規(guī)格與應(yīng)用考量

在當(dāng)今電子設(shè)計領(lǐng)域，F(xiàn)PGA（現(xiàn)場可編程門陣列）和SoC FPGA（片上系統(tǒng)現(xiàn)場可編程門陣列）發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。Microsemi的IGLOO2 FPGA和SmartFusion2 SoC FPGA憑借其出色的性能和豐富的功能，成為眾多工程師的首選。本文將深入探討這兩款產(chǎn)品的關(guān)鍵特性、電氣規(guī)格以及在實際設(shè)計中的應(yīng)用考量。

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產(chǎn)品概述

IGLOO2 FPGA和SmartFusion2 SoC FPGA集成了基于4輸入查找表（LUT）的FPGA架構(gòu)、數(shù)學(xué)模塊、嵌入式內(nèi)存塊以及高性能SerDes通信接口。SmartFusion2集成了低功耗實時微控制器子系統(tǒng)（MSS），具備豐富的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)；而IGLOO2則集成了高性能內(nèi)存子系統(tǒng)，包括片上閃存、32KB嵌入式SRAM和多個DMA控制器。

設(shè)備狀態(tài)

IGLOO2和SmartFusion2提供多種設(shè)計和數(shù)據(jù)安全密度選項，涵蓋從005到150等不同規(guī)格，目前均處于量產(chǎn)階段，為不同應(yīng)用場景提供了廣泛的選擇。

電氣規(guī)格詳解

1. 工作條件

在設(shè)計過程中，了解設(shè)備的工作條件至關(guān)重要。文檔中明確給出了絕對最大額定值和推薦工作條件，包括電源電壓、溫度范圍等參數(shù)。例如，DC核心電源電壓VDD的范圍為 -0.3V至1.32V，不同的電源引腳如VPP、MSS MDDR PLL VDDA等也有各自的電壓范圍。同時，還給出了不同產(chǎn)品等級（商業(yè)級和工業(yè)級）下的編程和工作溫度范圍，以及編程周期和數(shù)據(jù)保留時間等重要信息。

2. 功耗

功耗是電子設(shè)計中需要重點考慮的因素之一。文檔詳細(xì)介紹了靜態(tài)功耗和編程功耗。靜態(tài)功耗方面，給出了不同模式（非FlashFreeze和FlashFreeze）下的靜態(tài)電流特性，以及不同溫度條件（典型、商業(yè)和工業(yè)溫度）下的靜態(tài)電流值。編程功耗方面，列出了編程、驗證和上電時的電流情況，為電源設(shè)計提供了重要參考。

3. 時序模型

時序模型是確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。文檔給出了時序模型的參數(shù)，如DDR3接收器的傳播延遲、輸入數(shù)據(jù)寄存器的時鐘到Q延遲等。這些參數(shù)在特定的商業(yè)條件下（ (T{J}=85^{circ} C) , (V{D D}=1.14 ~V) ）進(jìn)行測量，為時序設(shè)計提供了準(zhǔn)確的依據(jù)。

4. 用戶I/O特性

IGLOO2和SmartFusion2支持多種I/O標(biāo)準(zhǔn)，包括LVCMOS、HSTL、SSTL、LPDDR等。不同的I/O銀行（MSIO、MSIOD和DDRIO）支持不同的I/O標(biāo)準(zhǔn)，文檔詳細(xì)給出了各種I/O標(biāo)準(zhǔn)的電氣特性，如輸入電容、漏電流、上升時間、輸出電壓規(guī)格、最大數(shù)據(jù)速率等。這些信息對于設(shè)計I/O接口和選擇合適的I/O標(biāo)準(zhǔn)非常重要。

5. 存儲器接口和電壓參考I/O標(biāo)準(zhǔn)

支持多種存儲器接口和電壓參考I/O標(biāo)準(zhǔn)，如HSTL、SSTL（2.5V、1.8V和1.5V）和LPDDR。文檔給出了這些標(biāo)準(zhǔn)的DC和AC輸入輸出電平規(guī)格、差分電壓規(guī)格、最大數(shù)據(jù)速率等參數(shù)，為存儲器接口設(shè)計提供了詳細(xì)的指導(dǎo)。

6. 差分I/O標(biāo)準(zhǔn)

支持多種差分I/O標(biāo)準(zhǔn)，如LVDS、B-LVDS、M-LVDS、Mini-LVDS、RSDS和LVPECL。文檔給出了這些標(biāo)準(zhǔn)的DC和AC輸入輸出電平規(guī)格、差分電壓規(guī)格、最大數(shù)據(jù)速率等參數(shù)，以及不同溫度條件下的AC開關(guān)特性，為差分I/O接口設(shè)計提供了全面的信息。

7. I/O寄存器規(guī)格

詳細(xì)介紹了輸入和輸出寄存器的規(guī)格，包括輸入寄存器的旁路延遲、時鐘到Q延遲、數(shù)據(jù)建立時間等，以及輸出/啟用寄存器的旁路延遲、時鐘到Q延遲、數(shù)據(jù)建立時間等。這些參數(shù)對于設(shè)計I/O寄存器和確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性非常重要。

8. DDR模塊規(guī)格

對于DDR模塊，文檔給出了輸入和輸出DDR模塊的時序規(guī)格，包括時鐘到輸出延遲、數(shù)據(jù)建立時間、數(shù)據(jù)保持時間等。這些參數(shù)對于設(shè)計DDR接口和確保DDR數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性非常重要。

9. 邏輯元件規(guī)格

IGLOO2和SmartFusion2提供了4輸入LUT和順序模塊。文檔給出了組合單元的傳播延遲和寄存器的延遲參數(shù)，為邏輯設(shè)計提供了重要的參考。

10. 全局資源特性

具備強(qiáng)大的低偏斜全局路由網(wǎng)絡(luò)，為FPGA架構(gòu)提供了有效的時鐘分配。文檔給出了不同設(shè)備（005、010、025、050、060、090和150）的全局資源特性，包括輸入低延遲、輸入高延遲和最大偏斜等參數(shù)。

11. FPGA架構(gòu)SRAM

提供了FPGA架構(gòu)大SRAM（LSRAM）和微SRAM（μSRAM）。文檔給出了不同深度×寬度配置下的RAM1K18和μSRAM的時序規(guī)格，包括時鐘周期、時鐘最小脈沖寬度、讀取訪問時間等參數(shù)，為SRAM設(shè)計提供了詳細(xì)的信息。

12. 編程時間

文檔給出了不同編程方式（JTAG、2步IAP、SmartFusion2 Cortex - M3 ISP）下的編程時間，以及不同SPI時鐘速率（100 kHz、25 MHz和12.5 MHz）下的編程時間。這些信息對于編程設(shè)計和優(yōu)化編程時間非常重要。

13. 數(shù)學(xué)模塊時序特性

每個IGLOO2和SmartFusion2數(shù)學(xué)模塊支持18×18有符號乘法、點積以及內(nèi)置的加法、減法和累加單元。文檔給出了不同配置下的數(shù)學(xué)模塊時序特性，包括輸入控制寄存器的建立時間、保持時間等參數(shù)。

14. 嵌入式NVM（eNVM）特性

給出了eNVM的讀取性能和頁面編程時間，為eNVM的使用提供了重要的參考。

15. SRAM PUF

介紹了SRAM物理不可克隆函數(shù)（PUF）服務(wù)，包括創(chuàng)建激活碼、刪除激活碼、創(chuàng)建密鑰碼等操作的時間。

16. 非確定性隨機(jī)位生成器（NRBG）特性

提供了NRBG的服務(wù)時間，如實例化、生成隨機(jī)位等操作的時間。

17. 加密模塊特性

介紹了加密模塊的特性，包括AES128/256編碼/解碼、SHA256、HMAC等服務(wù)的時間。

18. 晶體振蕩器

給出了晶體振蕩器在不同增益模式（高、中、低）下的電氣特性，包括工作頻率、精度、輸出占空比、抖動等參數(shù)。

19. 片上振蕩器

介紹了片上50 MHz RC振蕩器和1 MHz RC振蕩器的電氣特性，包括工作頻率、精度、輸出占空比、抖動等參數(shù)。

20. 時鐘調(diào)節(jié)電路（CCC）

給出了CCC/PLL的規(guī)格和抖動規(guī)格，包括輸入頻率、輸出頻率、延遲增量、采集時間等參數(shù)。

21. JTAG

給出了不同設(shè)備（005、010、025、050、060、090和150）的JTAG 1532參數(shù)，包括時鐘到Q延遲、復(fù)位到Q延遲、測試數(shù)據(jù)輸入建立時間等參數(shù)。

22. 系統(tǒng)控制器SPI特性

給出了系統(tǒng)控制器SPI的特性，包括SC_SPI_SCK的最小周期、最小脈沖寬度等參數(shù)，以及支持的I/O配置。

23. 上電到功能時間

給出了SmartFusion2和IGLOO2的上電到功能時間，包括從電源上電到輸出可用、從電源上電到MSS復(fù)位等不同階段的時間。

24. DEVRST_N特性

給出了DEVRST_N的斜坡速率和循環(huán)速率等特性。

25. DEVRST_N到功能時間

給出了SmartFusion2和IGLOO2的DEVRST_N到功能時間，包括從DEVRST_N信號到輸出可用、從DEVRST_N信號到MSS復(fù)位等不同階段的時間。

26. Flash*Freeze時序特性

給出了Flash*Freeze的進(jìn)入和退出時間，包括不同條件下的時間參數(shù)。

27. DDR內(nèi)存接口特性

支持DDR3、DDR2和LPDDR，給出了這些標(biāo)準(zhǔn)的最大數(shù)據(jù)速率。

28. SFP收發(fā)器特性

IGLOO2和SmartFusion2的SerDes符合SFP要求，文檔給出了SFP收發(fā)器的電氣特性，包括差分峰 - 峰電壓等參數(shù)。

29. SerDes電氣和時序AC和DC特性

給出了SerDes的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)參數(shù)，以及協(xié)議合規(guī)性和參考時鐘AC規(guī)格。

30. SmartFusion2規(guī)格

包括MSS時鐘頻率、I2C特性、SPI特性、CAN控制器特性、USB特性和MMUART特性等。

31. IGLOO2規(guī)格

包括HPMS時鐘頻率和SPI特性等。

設(shè)計考量與建議

1. 電源設(shè)計

根據(jù)設(shè)備的功耗特性和工作條件，合理設(shè)計電源電路。注意電源的斜坡速率和穩(wěn)定性，避免電源波動對設(shè)備性能產(chǎn)生影響。

2. 時序設(shè)計

嚴(yán)格按照時序模型和時序參數(shù)進(jìn)行設(shè)計，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和穩(wěn)定性。注意時鐘信號的分配和延遲，避免時序沖突。

3. I/O接口設(shè)計

根據(jù)應(yīng)用需求選擇合適的I/O標(biāo)準(zhǔn)和I/O銀行。注意I/O的電氣特性，如輸入電容、漏電流等，避免信號干擾和失真。

4. 編程設(shè)計

根據(jù)編程時間和編程方式，選擇合適的編程方法和工具。注意編程過程中的數(shù)據(jù)安全和穩(wěn)定性。

5. 散熱設(shè)計

考慮設(shè)備的功耗和工作溫度范圍，合理設(shè)計散熱方案。確保設(shè)備在正常工作溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，提高設(shè)備的可靠性和穩(wěn)定性。

總結(jié)

IGLOO2 FPGA和SmartFusion2 SoC FPGA具有豐富的功能和出色的性能，適用于航空航天、通信、數(shù)據(jù)中心和工業(yè)等多個領(lǐng)域。在設(shè)計過程中，工程師需要深入了解設(shè)備的電氣規(guī)格和特性，合理進(jìn)行電源設(shè)計、時序設(shè)計、I/O接口設(shè)計、編程設(shè)計和散熱設(shè)計，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。希望本文能夠為電子工程師在使用IGLOO2和SmartFusion2進(jìn)行設(shè)計時提供有益的參考。