ds180 7 Series FPGAs Data Sheet: Overview

一、通用描述

Xilinx 7系列FPGA包含四个家族，针对不同系统需求提供全面支持。从低成本、小尺寸和高容量应用到高性能连接带宽、逻辑能力和信号处理能力的应用，都能找到合适的解决方案。

四个FPGA家族简介

1. Spartan®-7 系列：主打低成本、低功耗、高性能I/O。提供小型封装，适合需要最小PCB面积的设计。

2. Artix®-7 系列：针对低功耗应用场景，支持高速串行收发器和高吞吐量的DSP与逻辑运算。

3. Kintex®-7 系列：性价比最佳

4. Virtex®-7 系列：提供最高系统性能与容量

系列对比如下表

其中常用型号为Spartan-7 XC7S25（约60元），Artix-7 XC7A35T（约120元）以及Kintex-7 XC7K325T（约420元），XC7S25缺少部分收发器，但已经适用于大多数场景，在预算控制的情况下，一般来说资源使用情况在85%以下不需要太多的时序优化操作。

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二、主要功能特性总结

1. 先进FPGA逻辑架构：基于6输入查找表（LUT）技术

2. 块RAM资源：36 Kb双端口Block RAM，内置FIFO

3. I/O接口：SelectIO™ 技术，支持高达DDR3 1,866 Mb/s 接口

4. 高速串行通信：内置多千兆位收发器，速率范围从600 Mb/s 到 6.6 Gb/s（部分型号可达28.05 Gb/s）

5. 模拟接口：用户可配置的XADC模块，包括两个12位1MSPS ADC，以及片上温度和电源传感器

6. 数字信号处理（DSP）：DSP Slice 包含25x18乘法器、48位累加器和预加法器，支持高性能滤波器设计

7. 时钟管理：CMT（时钟管理模块），结合PLL 和 MMCM，提供高精度、低抖动时钟控制

8. 嵌入式处理器：支持MicroBlaze™软核处理器，快速部署嵌入式系统

9. PCIe接口：提供集成PCIe模块，支持最多x8 Gen3 Endpoint和Root Port设计

一、堆叠硅互连技术（SSI 技术）

• 用于 Virtex-7 系列 FPGA，实现超高容量。
• 多个 Super Logic Regions  通过无源中介层连接。
• 支持超过 10,000 条跨 SLR 连接。
• 具有低延迟、高带宽和低功耗优势。
• 支持大量超长布线资源（SLL）和高性能时钟线。
  • 实现比传统制造方法更高的逻辑密度。
  • 缩短高容量 FPGA 的上市时间并降低风险。

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二、可配置逻辑块（CLBs）、切片（Slices）和查找表（LUTs）

• 每个 LUT 是 6 输入查找表，支持分布式 RAM 或移位寄存器（SRL）。
• 4 个 LUT + 8 个触发器组成一个 Slice。
• 两个 Slice 组成一个 CLB。
• 最多 50% 的 Slice 可以用作分布式 RAM 或 SRL。

示例说明：

• Spartan-7 中 XC7S50 有 52,160 个逻辑单元（Logic Cells），意味着约 13,040 个 Slice。
• 每个 Slice 可灵活用于组合逻辑、寄存器、RAM 或移位寄存器。

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三、时钟管理（Clock Management）

• 每个 CMT 包含一个 MMCM 和一个 PLL。
• 支持频率合成、相位偏移、低抖动生成。
• 支持三种滤波模式：低带宽、高带宽、优化模式。
• MMCM 支持分数倍频和精细相位调节（最小步进 11.2 ps @ 1600 MHz）。

时钟分布类型：

• BUFG（全局时钟缓冲）
• BUFR（区域时钟缓冲）
• BUFIO（I/O 专用时钟）
• BUFH（水平时钟缓冲）
• BUFMR（模块级时钟缓冲）
• 高性能时钟路径

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四、块 RAM（Block RAM）

• 每块为 36 Kb，可拆分为两个独立的 18 Kb 块。
• 支持双端口访问，每个端口宽度可达 72 位。
• 支持同步操作、编程数据宽度、FIFO 控制器。
• 支持 ECC 错误检测与纠正（单比特纠错、双比特检错）。

示例说明：

• XC7VH870T 有最多 1,880 块 Block RAM，总容量高达 67.68 Mb。
• 可用于缓存、图像处理、通信协议中的数据缓冲。

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五、数字信号处理模块（DSP Slice）

• 包括预加法器、25 x 18 乘法器、加法器、48 位累加器。
• 双 24 位加减/累加等SIMD操作。
• 支持对称滤波优化，减少 DSP 使用数量达 50%。
• 支持模式检测器，用于舍入和逻辑功能。

示例说明：

• 在 FIR 滤波器设计中，使用预加法器可以显著减少乘法器资源消耗。
• 可用于 FFT、卷积、图像处理等高性能信号处理任务。

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六、输入/输出（I/O）功能

• 支持 DDR3 接口速率高达 1,866 Mb/s。
• I/O 类型：HR（1.2–3.3 V）和 HP（1.2–1.8 V）。
• 支持差分标准（LVDS、BLVDS、SSTL、HSTL）。
• 支持 T_DCI（3态数字控制阻抗）用于板上终端。
• 支持 ODELAY/IDELAY（延迟校准）和 ISERDES/OSERDES（串并转换）。

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七、高速串行收发器（Gigabit Transceivers）

📌 支持速率：

收发器类型	最大速率
GTP	6.6 Gb/s
GTX	12.5 Gb/s
GTH	13.1 Gb/s
GTZ	28.05 Gb/s

• 支持低功耗模式（芯片间接口优化）
• 支持自动均衡（CTLE、DFE）
• 支持编码（8B/10B、64B/66B）
• 支持 Out-of-Band 信令（OOB），适用于 PCIe、SATA 等协议。

示例说明：

• 实现 100Gbps 通信接口
• 光模块接口
• 背板通信
• 高速 ADC/DAC 接口

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八、PCIe 集成模块

• PCI Express Base Spec 2.1 或 3.0
• 支持 Gen1（2.5 Gb/s）、Gen2（5 Gb/s）、Gen3（8 Gb/s）

主要功能：

• 支持 Endpoint 和 Root Port 模式
• 支持 SR-IOV（单根虚拟化）
• 支持 AER（高级错误报告）、ECRC（端到端 CRC）
• 支持 AXI4 / AXI4-Stream 接口

示例说明：

• FPGA 作为 PCIe 设备接入主机
• 实现 FPGA 到 FPGA 之间的高速互联
• 网卡等外部设备连接 FPGA

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九、配置与安全性

支持方式：

• SPI（x1/x2/x4）
• BPI（x8/x16）
• Master/Slave 模式
• 支持 MultiBoot（多启动）和安全更新

安全机制：

• 256-bit AES 加密
• HMAC/SHA-256 认证
• 内部 eFUSE 存储密钥
• 支持部分重配置（Partial Reconfiguration）

特色功能：

• 断电后重新加载
• DRP 接口可用于动态修改 MMCM、PLL、XADC 等模块参数
• 支持 Bitstream 读回与验证

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十、模拟接口模块（XADC）

• 两个 12 位、1MSPS 的 ADC
• 支持最多 17 个外部模拟输入通道
• 内置温度传感器（±4°C）和电源监控（±1%）
• JTAG 接口可实时获取测量数据

示例说明：

• 温度监测、电压监控
• 模拟信号采集
• 工业控制、嵌入式系统中的状态监控

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十一、封装与引脚信息

• 引线键合（Wire-bond）
• 倒装芯片（Flip-chip）
• 裸芯倒装（Bare-die flip-chip）
• 支持 Pb-free 和 Pb 封装选项

示例说明：

封装名	引脚数	尺寸	支持器件示例
FLG1155	1155	35 × 35 mm	XC7VH580T
FLG1931	1931	45 × 45 mm	XC7VH870T

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各系列功能对比

属性	Spartan-7	Artix-7	Kintex-7	Virtex-7
主打特点	成本敏感、小尺寸	低功耗、串行收发器	高性价比	最高性能、最大容量
最大逻辑单元	~100K	~300K	~1M	~2M
最大 DSP Slice 数量	~1,100	~3,000	~8,000	~12,000
高速收发器	不支持	GTP/GTX	GTP/GTX/GTH	GTP/GTX/GTH/GTZ
PCIe 模块	无	有	有	有
XADC	部分支持	支持	支持	支持
Block RAM	~4,320 Kb	~8,000 Kb	~50,000 Kb	~67,680 Kb
封装	小型封装为主	Flip-chip	Flip-chip	Flip-chip + SSI