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# 小柴冲刺软考中级嵌入式系统设计师系列二、嵌入式系统硬件基础知识（7）嵌入式 Soc

嵌入式片上系统 (System on chip，SoC) 是集成计算机或其他电子系统的所有组件的集成电路。组件包括中央处理单元 (CPU)、存储器、输入 / 输出端口和二级存储器，全部在一个基板上。功能上可能包含数字信号、模拟信号、混合信号和射频信号处理功能，具体取决于应用。由于集成在单个电子基板上，与具有相同功能的多芯片设计相比，SoC 功耗更低且占用面积更小，在移动计算和边缘计算市场中非常普遍，被广泛用于嵌入式系统和物联网。

2010 年前，Xilinx 提供 3 个系列的 FPGA: 高性能 Virtex 系列、高容量 Spartan 系列、更便宜的 EasyPath 系列。2010 年后，Xilinx 推出了 28nm 的 FPGA，用 Kintex 系列和低成本的 Artix 系列逐渐取代了大批量的 Spartan 系列。

# 一、Virtex 系列

Virtex 是 Xilinx 开发的旗舰 FPGA 产品系列。Virtex FPGA 通常使用 Xilinx ISE 或 Vivado Design Suite 计算机软件以硬件描述语言 (如 VHDL 或 Verilog) 编程。

# Virtex-4

• Virtex-4 系列于 2004 年 6 月推出，采用 90nm 工艺技术。Virtex-4 FPGA 已用于法国和瑞士边境欧洲核子研究中心欧洲实验室的 ALICE (大型离子对撞机实验), 用于绘制和解开数千个亚原子粒子的轨迹。
  Virtex-4 系列被认为是传统设备，不建议用于新的设计，但仍在为已有设计继续生产

# Virtex-5

• Virtex-5 系列是在 2006 年 5 月推出，采用 65nm 工艺技术。通过 Virtex-5，Xilinx 将逻辑结构从四输入 LUT 改为六输入 LUT。随着 SoC 设计所需的组合逻辑功能越来越复杂，需要多个四输入 LUT 的组合路径的百分比已成为性能和路由瓶颈。新的六输入 LUT 代表了在处理日益复杂的组合功能之间更好的权衡，代价是每个器件的 LUT 绝对数量减少。

# Virtex-6

• Virtex-6 系列是在 2009 年 2 月推出，采用 40nm 工艺技术，用于进行大量计算的申子系统中。相比于其他公司的比 40nm FPGA，功耗减少 15%，性能提升 15%。

# Virtex-7

• Virtex-7 系列是在 2010 年 6 月推出，采用 28nm 工艺技术，并且比上一代的 Virtex-6 系列功耗降低 50%，系统性能提升了 2 倍。此外，与上一代 Virtex FPGAs 相比，Virtex-7 的存储器带宽增加了一倍，存储器接口性能为 1866 Mb/s，拥有超过 200 万个逻辑单元。

# Virtex-7(3D)

• 2011 年，Xilinx 开始提供 Virtex-7 2000T FPGA 样品，它将四个较小的 FPGA 组合封装到一起，放置在一个特殊的硅互连焊盘 (称为插入器) 上，在一个大芯片中提供 68 亿个品体管。插入器在各个 FPGA 之间提供 10000 个数据通路 -- 大约是一块板上通常可用的 10~100 倍，以创建单个 FPGA。2012 年，Xilinx 采用相同的 3D 技术，推出了 Virtex-7H580T FPGA，这是一种异构器件，因为它在同一封装中包含两个 FPGA 芯片和一个 8 通道 28Gb/s 收发器芯片。
• 随着 Xilinx 推出新的高容量 3D FPGA, 包括 Virtex-7 2000T 和 Virtex-7 H580T 产品这些器件开始超越 Xilinx 设计软件的能力，需要完全重新设计工具集。其结果是推出了 Vivado 设计套件，与以前的软件相比，它减少了可编程逻辑和 IO 设计所需的时间，并加快了系统集成和实现速度。

# Virtex UltraScale

• Virtex UltraScale 系列于 2014 年 5 月推出，采用 20nm 工艺技术。UltraScale 也是一种 3D FPGA, 它包含高达 4.4M 的逻辑单元，与上一代相比，它的功耗降低了 55%,BOM 成本降低了 50%。

# Virtex UltraScale+

• Virtex UltraScale 系列于 2016 年 1 月推出，采用 16nm 工艺技术。基于 Virtex UltraScale 的架构，Virtex UltraScale + 提供更好的性能和集成度，包括最高的信号处理带宽，可以用于机器学习。

# 二、Spartan 系列

Spartan 系列的目标是低成本、高容量、低功耗的应用，例如显示器、机顶盒、无线路由器和其他应用。

# Spartan-6

• Spartan-6 系列是建立在 45nm,9 金属层和双氧化物工艺技术上的。2009 年，Spartan-6 作为一种低成本的选择上市，用于汽车、无线通信、平板显示器和视频监控应用。

# Spartan-7

• Spartan-7 系列采用与其他 7 系 FPGAs 相同的 28nm 制程，于 2015 年发布，并于 2017 年投入使用。与 Spartan-7 系列和 Spartan-6 系列的 “LXT” 成员不同，Spartan-7 FPGA 缺乏高带宽收发器。