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FPGA编辑词条

现场可编程逻辑门阵列(FPGA, Field Programmable Gate Array),是一个含有可编辑元件的半导体设备,可供使用者现场程式化的逻辑门阵列元件。FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编辑器件的基础上进一步发展的产物。

1背景    以硬件描述语言(Verilog或VHDL)所完成的电路设计,可以经过简单的综合与布局,快速的烧录至 FPGA 上进行测试,是现代 IC设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面,这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器(Flip-flop)或者其他更加完整的记忆块。

    系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来,就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变,所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。

    FPGA一般来说比ASIC(专用集成电路)的速度要慢,实现同样的功能比ASIC电路面积要大。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品,可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力,所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的,然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD(Complex Programmable Logic Device,复杂可编程逻辑器件)。

2开发    FPGA的开发相对于传统PC、单片机的开发有很大不同。FPGA以并行运算为主,以硬件描述语言来实现;相比于PC或单片机(无论是冯诺依曼结构还是哈佛结构)的顺序操作有很大区别,也造成了FPGA开发入门较难。目前国内有专业的FPGA外协开发厂家,如[北京中科鼎桥ZKDQ-TECH]等。FPGA开发需要从顶层设计、模块分层、逻辑实现、软硬件调试等多方面着手。

3产品比较    早在1980年代中期,FPGA已经在PLD设备中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相对大数量的可编辑逻辑单元。CPLD逻辑门的密度在几千到几万个逻辑单元之间,而FPGA通常是在几万到几百万。

    CPLD和FPGA的主要区别是他们的系统结构。CPLD是一个有点限制性的结构。这个结构由一个或者多个可编辑的结果之和的逻辑组列和一些相对少量的锁定的寄存器组成。这样的结果是缺乏编辑灵活性,但是却有可以预计的延迟时间和逻辑单元对连接单元高比率的优点。而FPGA却是有很多的连接单元,这样虽然让它可以更加灵活的编辑,但是结构却复杂的多。

    CPLD和FPGA另外一个区别是大多数的FPGA含有高层次的内置模块(比如加法器和乘法器)和内置的记忆体。因此一个有关的重要区别是很多新的FPGA支持完全的或者部分的系统内重新配置。允许他们的设计随着系统升级或者动态重新配置而改变。一些FPGA可以让设备的一部分重新编辑而其他部分继续正常运行。

    CPLD和FPGA还有一个区别:CPLD下电之后,原有烧入的逻辑结构不会消失;而FPGA下电之后,再次上电时,需要重新加载FLASH里面的逻辑代码,需要一定的加载时间。

4发展历程    每一个最后看来很成功的新事物,从诞生到发展壮大都不可避免地经历过艰难的历程,并可能成为被研究的案例,FPGA也不例外。

    1985年,当全球首款FPGA产品——XC2064诞生时,注定要使用大量芯片的PC机刚刚走出硅谷的实验室进入商业市场,因特网只是科学家和政府机构通信的神秘链路,无线电话笨重得像砖头,日后大红大紫的Bill Gates正在为生计而奋斗,创新的可编程产品似乎并没有什么用武之地。

    事实也的确如此。最初,FPGA只是用于胶合逻辑(Glue Logic),从胶合逻辑到算法逻辑再到数字信号处理、高速串行收发器和嵌入式处理器,FPGA真正地从配角变成了主角。在以闪电般速度发展的半导体产业里,22年足够改变一切。“在未来十年内每一个电子设备都将有一个可编程逻辑芯片”的理想正成为现实。

    1985年,Xilinx公司推出的全球第一款FPGA产品XC2064怎么看都像是一只“丑小鸭”——采用2μm工艺,包含64个逻辑模块和85000个晶体管,门数量不超过1000个。22年后的2007年,FPGA业界双雄Xilinx和Altera公司纷纷推出了采用最新65nm工艺的FPGA产品,其门数量已经达到千万级,晶体管个数更是超过10亿个。一路走来,FPGA在不断地紧跟并推动着半导体工艺的进步——2001年采用150nm工艺、2002年采用130nm工艺,2003年采用90nm工艺,2006年采用65nm工艺。

    在上世纪80年代中期,可编程器件从任何意义上来讲都不是当时的主流,虽然其并不是一个新的概念。可编程逻辑阵列(PLA)在1970年左右就出现了,但是一直被认为速度慢,难以使用。1980年之后,可配置可编程逻辑阵列(PLA)开始出现,可以使用原始的软件工具提供有限的触发器和查找表实现能力。PAL被视为小规模/中等规模集成胶合逻辑的替代选择被逐步接受,但是当时可编程能力对于大多数人来说仍然是陌生和具有风险的。20世纪80年代在“megaPAL”方面的尝试使这一情况更加严重,因为“megaPAL”在功耗和工艺扩展方面有严重的缺陷,限制了它的广泛应用。

    然而,Xilinx公司创始人之一——FPGA的发明者Ross Freeman认为,对于许多应用来说,如果实施得当的话,灵活性和可定制能力都是具有吸引力的特性。也许最初只能用于原型设计,但是未来可能代替更广泛意义上的定制芯片。事实上,正如Xilinx公司亚太区营销董事郑馨南所言,随着技术的不断发展,FPGA由配角到主角,很多系统设计都是以FPGA为中心来设计的。FPGA走过了从初期开发应用到限量生产应用再到大批量生产应用的发展历程。从技术上来说,最初只是逻辑器件,现在强调平台概念,加入数字信号处理、嵌入式处理、高速串行和其他高端技术,从而被应用到更多的领域。“90年代以来的20年间,PLD产品的终极目标一直瞄准速度、成本和密度三个指标,即构建容量更大、速度更快和价格更低的FPGA,让客户能直接享用。”Actel司总裁兼首席执行官JohnEast如此总结可编程逻辑产业的发展脉络。

    当1991年Xilinx公司推出其第三代FPGA产品——XC4000系列时,人们开始认真考虑可编程技术了。XC4003包含44万个晶体管,采用0.7μm工艺,FPGA开始被制造商认为是可以用于制造工艺开发测试过程的良好工具。事实证明,FPGA可为制造工业提供优异的测试能力,FPGA开始用来代替原先存储器所扮演的用来验证每一代新工艺的角色。也许从那时起,向最新制程半导体工艺的转变就已经不可阻挡了。最新工艺的采用为FPGA产业的发展提供了机遇。

    Actel公司相信,Flash将继续成为FPGA产业中重要的一个增长领域。Flash技术有其独特之处,能将非易失性和可重编程性集于单芯片解决方案中,因此能提供高成本效益,而且处于有利的位置以抢占庞大的市场份额。Actel以Flash技术为基础的低功耗IGLOO系列、低成本的ProASIC3系列和混合信号Fusion FPGA将因具备Flash的固有优势而继续引起全球广泛的兴趣和注意。

    Altera公司估计可编程逻辑器件市场在2006年的规模大概为37亿美元,Xilinx公司的估计更为乐观一些,为50亿美元。虽然两家公司合计占据该市场90%的市场份额,但是作为业界老大的Xilinx公司在2006年的营收不过18.4亿美元,Altera公司则为12.9亿美元。PLD市场在2000年达到41亿美元,其后两年出现了下滑,2002年大约为23亿美元。虽然从2002年到2006年,PLD市场每年都在增长,复合平均增长率接近13%,但是PLD终究是一个规模较小的市场。而Xilinx公司也敏锐地意识到,FPGA产业在经历了过去几年的快速成长后将放慢前进的脚步,那么,未来FPGA产业的出路在哪里?

    Altera公司总裁兼首席执行官John Daane认为,FPGA及PLD产业发展的最大机遇是替代ASIC和专用标准产品(ASSP),主要由ASIC和ASSP构成的数字逻辑市场规模大约为350亿美元。由于用户可以迅速对PLD进行编程,按照需求实现特殊功能,与ASIC和ASSP相比,PLD在灵活性、开发成本以及产品及时面市方面更具优势。然而,PLD通常比这些替代方案有更高的成本结构。因此,PLD更适合对产品及时面市有较大需求的应用,以及产量较低的最终应用。PLD技术和半导体制造技术的进步,从总体上缩小了PLD和固定芯片方案的相对成本差,在以前由ASIC和ASSP占据的市场上,Altera公司已经成功地提高了PLD的销售份额,并且今后将继续这一趋势。“FPGA和PLD供应商的关键目标不是简单地增加更多的原型客户,而是向大批量应用最终市场和客户渗透。”John Daane为FPGA产业指明了方向。

5理念成熟    Xilinx公司认为,ASIC SoC设计周期平均是14个月到24个月,用FPGA进行开发时间可以平均降低55%。而产品晚上市六个月5年内将少33%的利润,每晚四周等于损失14%的市场份额。因此,郑馨南雄心勃勃地预言:“FPGA应用将不断加快,从面向50亿美元的市场扩展到面向410亿美元的市场。”其中,ASIC和ASSP市场各150亿美元,嵌入式处理和高性能DSP市场各30亿美元。

    虽然没有像蒸汽机车发明之初备受嘲笑被讥讽为“怪物”,但是FPGA在诞生之初受到怀疑是毫无疑问的。当时,晶体管逻辑门资源极为珍贵,每个人都希望用到的晶体管越少越好。不过,Ross Freeman挑战了这一观念,他大胆预言:“在未来,晶体管将变得极为丰富从而可以‘免费’使用。”如今,这一预言成为现实。

    “FPGA非常适用于原型设计,但对于批量DSP系统应用来说,成本太高,功耗太大。”这是业界此前的普遍观点,很长时间以来也为FPGA进入DSP领域设置了观念上的障碍。而如今,随着Xilinx公司和Altera公司相关产品的推出,DSP领域已经不再是FPGA的禁区,相反却成了FPGA未来的希望所在。

    FPGA对半导体产业最大的贡献莫过于创立了无生产线(Fabless)模式。如今采用这种模式司空见惯,但是在20多年前,制造厂被认为是半导体芯片企业必须认真考虑的主要竞争优势。然而,基于过去和关系和直接、清晰的业务模式,Xilinx创始人之一Bernie Vonderschmitt成功地使日本精工公司(Seiko)确信利用该公司的制造设施来生产Xilinx公司设计的芯片对双方都是有利的,于是,无生产线模式诞生了。

    未来,相信FPGA还将在更多方面改变半导体产业!

6工作原理    FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个概念,内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输入输出模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。 现场可编程门阵列(FPGA)是可编程器件,与传统逻辑电路和门阵列(如PAL,GAL及CPLD器件)相比,FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑,每个查找表连接到一个D触发器的输入端,触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O,由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块,这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的,存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式,并最终决定了FPGA所能实现的功能,FPGA允许无限次的编程。

    电源类型

    FPGA电源要求输出电压范围从1.2V到5V,输出电流范围从数十毫安到数安培。可用三种电源:低压差(LDO)线性稳压器、开关式DC-DC稳压器和开关式电源模块。最终选择何种电源取决于系统、系统预算和上市时间要求。如果电路板空间是首要考虑因素,低输出噪声十分重要,或者系统要求对输入电压变化和负载瞬变做出快速响应,则应使用LDO稳压器。LDO功效比较低(因为是线性稳压器),只能提供中低输出电流。输入电容通常可以降低LDO输入端的电感和噪声。LDO输出端也需要电容,用来处理系统瞬变,并保持系统稳定性。也可以使用双输出LDO,同时为VCCINT和VCCO供电。如果在设计中效率至关重要,并且系统要求高输出电流,则开关式稳压器占优势。开关电源的功效比高于LDO,但其开关电路会增加输出噪声。与LDO不同,开关式稳压器需利用电感来实现DC-DC转换。

    要求

    为确保正确上电,内核电压VCCINT的缓升时间必须在制造商规定的范围内。对于一些FPGA,由于VCCINT会在晶体管阈值导通前停留更多时间,因此过长的缓升时间可能会导致启动电流持续较长时间。如果电源向FPGA提供大电流,则较长的上电缓升时间会引起热应力。ADI公司的DC-DC稳压器提供可调软启动,缓升时间可以通过外部电容进行控制。缓升时间典型值在20ms至100ms范围内。许多FPGA没有时序控制要求,因此VCCINT、VCCO和VCCAUX可以同时上电。如果这一点无法实现,上电电流可以稍高。时序要求依具体FPGA而异。对于一些FPGA,必须同时给VCCINT和VCCO供电。对于另一些FPGA,这些电源可按任何顺序接通。多数情况下,先给VCCINT后给VCCO供电是一种较好的做法。当VCCINT在0.6V至0.8V范围内时,某些FPGA系列会产生上电涌入电流。在此期间,电源转换器持续供电。这种应用中,因为器件需通过降低输出电压来限制电流,所以不推荐使用返送电流限制。但在限流电源解决方案中,一旦限流电源所供电的电路电流超过设定的额定电流,电源就会将该电流限制在额定值以下。
   

配电结构

 

集中式电源结构

集中式电源结构对于高速、高密度FPGA器件,保持良好的信号完整性对于实现可靠、可重复的设计十分关键。适当的电源旁路和去耦可以改善整体信号完整性。如果去耦不充分,逻辑转换将会影响电源和地电压,导致器件工作不正常。此外,采用分布式电源结构也是一种主要解决方案,给FPGA供电时可以将电源电压偏移降至最低。在传统电源结构中,AC/DC或DC/DC转换器位于一个地方,并提供多 个输出电压,在整个系统内分配。这种设计称为集中式电源结构(CPA),见左图。以高电流分配低电压时,铜线或PCB轨道会产生严重的电阻损耗,CPA就会发生问题。

 

 

分布式电源结构

CPA的替代方案是分布式电源结构(DPA),见左图。采用DPA时,整个系统内仅分配一个半稳压的DC电压,各DC/DC转换器(线性或开关式)与各负载相邻。DPA中,DC/DC转换器与负载(例如FPGA)之间的距离近得多,因而线路电阻和配线电感引起的电压下降得以减小。这种为负载提供本地电源的方法称为负载点(POL)。芯片结构主流的FPGA仍是基于查找表技术的,已经远远超出了先前版本的基本性能,并且整合了常用功能(如RAM、时钟管理和DSP)的硬核(ASIC型)模块。如图1-1所示(注:图1-1只是一个示意图,实际上每一个系列的FPGA都有其相应的内部结构),FPGA芯片主 要由7部分完成,分别为:可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入块式RAM、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。图1-1 FPGA芯片的内部结构

 

FPGA芯片的内部结构

每个模块的功能如下:
    1. 可编程输入输出单元(IOB)可编程输入/输出单元简称I/O单元,是芯片与外界电路的接口部分,完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动与匹配要求,其示意结构如图1-2所示。FPGA内的I/O按组分类,每组都能够独立地支持不同的I/O标准。通过软件的灵活配置,可适配不同的电气标准与I/O物理特性,可以调整驱动电流的大小,可以改变上、下拉电阻。I/O口的频率也越来越高,一些高端的FPGA通过DDR寄存器技术可以支持高达2Gbps的数据速率。图1-2 典型的IOB内部结构示意图

 

典型的IOB内部结构示意图

外部输入信号可以通过IOB模块的存储单元输入到FPGA的内部,也可以直接输入FPGA 内部。当外部输入信号经过IOB模块的存储单元输入到FPGA内部时,其保持时间(Hold Time)的要求可以降低,通常默认为0。为了便于管理和适应多种电器标准,FPGA的IOB被划分为若干个组(bank),每个bank的接口标准由其接口电压VCCO决定,一个bank只能有 一种VCCO,但不同bank的VCCO可以不同。只有相同电气标准的端口才能连接在一起,VCCO电压相同是接口标准的基本条件。

    2. 可配置逻辑块(CLB)CLB是FPGA内的基本逻辑单元。CLB的实际数量和特性会依器件的不同而不同,但是每个CLB都包含一个可配置开关矩阵,此矩阵由4或6个输入、一些选型电路(多路复用器等)和触发器组成。开关矩阵是高度灵活的,可以对其进行配置以便处理组合逻辑、移位寄存器或RAM。在Xilinx公司的FPGA器件中,CLB由多个(一般为4个或2个)相同的Slice和附加逻辑构成,如图1-3所示。每个CLB模块不仅可以用于实现组合逻辑、时序逻辑,还可以配置为分布式RAM和分布式ROM。图1-3 典型的CLB结构示意图

 

典型的CLB结构示意图

Slice是Xilinx公司定义的基本逻辑单位,其内部结构如图1-4所示,一个Slice由两个4输入的函数、进位逻辑、算术逻辑、存储逻辑和函数复用器组成。算术逻辑包括一个异或门(XORG)和一个专用与门(MULTAND),一个异或门可以使一个Slice实现 2bit全加操作,专用与门用于提高乘法器的效率;进位逻辑由专用进位信号和函数复用器(MUXC)组成,用于实现快速的算术加减法操作;4输入函数发生 器用于实现4输入LUT、分布式RAM或16比特移位寄存器(Virtex-5系列芯片的Slice中的两个输入函数为6输入,可以实现6输入LUT或 64比特移位寄存器);进位逻辑包括两条快速进位链,用于提高CLB模块的处理速度。

    3.数字时钟管理模块(DCM)业内大多数FPGA均提供数字时钟管理(Xilinx的全部FPGA均具有这种特性)。Xilinx推出最先进的FPGA提供数字时钟管理和相位环路锁定。相位环路锁定能够提供精确的时钟综合,且能够降低抖动,并实现过滤功能。

    4.嵌入式块RAM(BRAM)大多数FPGA都具有内嵌的块RAM,这大大拓展了FPGA的应用范围和灵活性。块RAM可被配置为单端口RAM、双端口RAM、内容地址存储器 (CAM)以及FIFO等常用存储结构。RAM、FIFO是比较普及的概念,在此就不冗述。CAM存储器在其内部的每个存储单元中都有一个比较逻辑,写入 CAM中的数据会和内部的每一个数据进行比较,并返回与端口数据相同的所有数据的地址,因而在路由的地址交换器中有广泛的应用。除了块RAM,还可以将 FPGA中的LUT灵活地配置成RAM、ROM和FIFO等结构。在实际应用中,芯片内部块RAM的数量也是选择芯片的一个重要因素。单片块RAM的容量为18k比特,即位宽为18比特、深度为1024,可以根据需要改变其位宽和深度,但要满足两个原则:首先,修改后的容量(位宽 深度)不能大于18k比特;其次,位宽最大不能超过36比特。当然,可以将多片块RAM级联起来形成更大的RAM,此时只受限于芯片内块RAM的数量,而不再受上面两条原则约束。

    5. 丰富的布线资源布线资源连通FPGA内部的所有单元,而连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。FPGA芯片内部有着丰富的布线资源,根据工艺、长度、宽度和分布位置的不同而划分为4类不同的类别。第一类是全局布线资源,用于芯片内部全局时钟和全局复位/置位的布线;第二类是长线资源,用以完成芯片 Bank间的高速信号和第二全局时钟信号的布线;第三类是短线资源,用于完成基本逻辑单元之间的逻辑互连和布线;第四类是分布式的布线资源,用于专有时钟、复位等控制信号线。在实际中设计者不需要直接选择布线资源,布局布线器可自动地根据输入逻辑网表的拓扑结构和约束条件选择布线资源来连通各个模块单元。从本质上讲,布线资源的使用方法和设计的结果有密切、直接的关系。

    6. 底层内嵌功能单元内嵌功能模块主要指DLL(Delay Locked Loop)、PLL(Phase Locked Loop)、DSP和CPU等软处理核(SoftCore)。越来越丰富的内嵌功能单元,使得单片FPGA成为了系统级的设计工具,使其具备了软硬件联合设计的能力,逐步向SOC平台过渡。DLL和PLL具有类似的功能,可以完成时钟高精度、低抖动的倍频和分频,以及占空比调整和移相等功能。Xilinx公司生产的芯片上集成了 DLL,Altera公司的芯片集成了PLL,Lattice公司的新型芯片上同时集成了PLL和DLL。PLL 和DLL可以通过IP核生成的工具方便地进行管理和配置。DLL的结构如图1-5所示。图1-5 典型的DLL模块示意图

 

典型的DLL模块示意图

 内嵌专用硬核内嵌专用硬核是相对底层嵌入的软核而言的,指FPGA处理能力强大的硬核(Hard Core),等效于ASIC电路。为了提高FPGA性能,芯片生产商在芯片内部集成了一些专用的硬核。例如:为了提高FPGA的乘法速度,主流的FPGA 中都集成了专用乘法器;为了适用通信总线与接口标准,很多高端的FPGA内部都集成了串并收发器(SERDES),可以达到数十Gbps的收发速度。Xilinx公司的高端产品不仅集成了Power PC系列CPU,还内嵌了DSP Core模块,其相应的系统级设计工具是EDK和Platform Studio,并依此提出了片上系统(System on Chip)的概念。通过PowerPC、Microblaze、Picoblaze等平台,能够开发标准的DSP处理器及其相关应用,达到SOC的开发目的。基本特点1)采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路),用户不需要投片生产,就能得到合用的芯片。2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。3)FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。4)FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。5) FPGA采用高速CMOS工艺,功耗低,可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说,FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的,因此,工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式,采用不同的编程方式。加电时,FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中,配置完成后,FPGA进入工作状态。掉电后,FPGA恢复成白片,内部逻辑关系消失,因此,FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器,只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时,只需换一片EPROM即可。这样,同一片FPGA,不同的编程数据,可以产生不同的电路功能。因此,FPGA的使用非常灵活。

7注意事项    基础问题

    FPGA的基础就是数字电路和VHDL语言,想学好FPGA的人,建议床头都有一本数字电路的书,不管是哪个版本的,这个是基础,多了解也有助于形成硬件设计的思想。在语言方面,建议初学者学习Verilog语言,VHDL语言语法规范严格,调试起来很慢,Verilog语言容易上手,而且,一般大型企业都是用Verilog语言,VHDL语言规范,易读性强,所以一般军工都用VHDL。

    工具问题

    熟悉几个常用的就可以的,开发环境Quartus II ,或ISE 就可以了,这两个基本是相通的,会了哪一个,另外的那个也就很Easy了。功能仿真建议使用Modelsim ,如果你是做芯片的,就可以学学别的仿真工具,做FPGA的,Modelsim就足够了。综合工具一般用Synplify,初学先不用太关心这个,用Quartus综合就OK了。

    思想问题

    对于初学者,特别是从软件转过来的,设计的程序既费资源又速度慢,而且很有可能综合不了,这就要求我们熟悉一些固定模块的写法,可综合的模块很多书上都有,语言介绍上都有,不要想当然的用软件的思想去写硬件。在学习FPGA开发过程,首先要对电路设计熟悉,明白电路的工作过程:电路是并行执行。

    习惯问题

    FPGA学习要多练习,多仿真,signaltapII是很好的工具,可以看到每个信号的真实值,建议初学者一定要自己多动手,光看书是没用的。关于英文文档问题,如果要学会Quartus II的所有功能,只要看它的handbook就可以了,很详细,对于IT行业的人,大部分知识来源都是英文文档,一定要耐心看,会从中收获很多的。

    算法问题

    做FPGA的工程师,最后一般都是专攻算法了,这些基础知识都是顺手捏来的,如果你没有做好搞理论的准备,学FPGA始终只能停留在初级阶段上。对于初学者,数字信号处理是基础,应该好好理解,往更深的方向,不用什么都学,根据你以后从事的方向,比如说通信、图像处理,雷达、声纳、导航定位等。

8配置模式    FPGA有多种配置模式:并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式;主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA;串行模式可以采用串行PROM编程FPGA;外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设,由微处理器对其编程。

    如何实现快速的时序收敛、降低功耗和成本、优化时钟管理并降低FPGA与PCB并行设计的复杂性等问题,一直是采用FPGA的系统设计工程师需要考虑的关键问题。如今,随着FPGA向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向发展,系统设计工程师在从这些优异性能获益的同时,不得不面对由于FPGA前所未有的性能和能力水平而带来的新的设计挑战。

    例如,领先FPGA厂商Xilinx推出的Virtex-5系列采用65nm工艺,可提供高达33万个逻辑单元、1,200个I/O和大量硬IP块。超大容量和密度使复杂的布线变得更加不可预测,由此带来更严重的时序收敛问题。此外,针对不同应用而集成的更多数量的逻辑功能、DSP、嵌入式处理和接口模块,也让时钟管理和电压分配问题变得更加困难。

    幸运地是,FPGA厂商、EDA工具供应商正在通力合作解决65nm FPGA独特的设计挑战。不久以前,Synplicity与Xilinx宣布成立超大容量时序收敛联合工作小组,旨在最大程度地帮助系统设计工程师以更快、更高效的方式应用65nm FPGA器件。设计软件供应商Magma推出的综合工具Blast FPGA能帮助建立优化的布局,加快时序的收敛。

    FPGA的配置方式已经多元化!

9主要生产    全球知名的FPGA生产厂商有:1.Altera,开发平台是Quartus II2.Xilinx 开发平台是ISE3.Actel ,开发平台是Libero4.Lattice,开发平台是 ISPLEVER5.Atmel其中Altera作为世界老牌可编程逻辑器件的厂家,是可编程逻辑器件的发明者,开发软件MAX+PLUSII和QuartusII。Xilinx是FPGA的发明者,拥有世界一半以上的市场,提供90%的高端65nmFPGA产品,开发软件为ISE,其产品主要用于军用和宇航。Altera和Xilinx主要生产一般用途FPGA,其主要产品采用RAM工艺。Actel主要提供非易失性FPGA,产品主要基于反熔丝工艺和FLASH工艺。

10设计注意    不管你是一名逻辑设计师、硬件工程师或系统工程师,甚或拥有所有这些头衔,只要你在任何一种高速和多协议的复杂系统中使用了FPGA,你就很可能需要努力解决好器件配置、电源管理、IP集成、信号完整性和其他的一些关键设计问题。不过,你不必独自面对这些挑战,因为在当前业内领先的FPGA公司里工作的应用工程师每天都会面对这些问题,而且他们已经提出了一些将令你的设计工作变得更轻松的设计指导原则和解决方案。

11三大法则    面积与速度的互换

    这里的面积指的是FPGA的芯片资源,包括逻辑资源和I/O资源等;这里的速度指的是FPGA工作的最高频率(和DSP或者ARM不同,FPGA设计的工 作频率是不固定的,而是和设计本身的延迟紧密相连)。 在实际设计中,使用最小的面积设计出最高的速度是每一个开发者追求的目标,但是“鱼和熊掌不可兼得”,取舍之间展示了一个开发者的智慧。

    1.速度换面积

    速度优势可以换取面积的节约。面积越小,就意味着可以用更低的成本来实现产品的功 能。速度换面积的原则在一些较复杂的算法设计中常常会用到。在这些算法设计中,流水线设计常常是必须用到的技术。在流水线的设计中,这些被重复使用但是使 用次数不同的模块将会占用大量的FPGA资源。对FPGA的设计技术进行改造,将被重复使用的算法模块提炼出最小的复用单元,并利用这个最小的高速代替原 设计中被重复使用但次数不同的模块。当然,在改造的过程中必然会增加一些其他的资源来实现这个代替的过程。但是只要速度具有优势,那么增加的这部分逻辑依 然能够实现降低面积提高速度的目的。

    可以看到,速度换面积的关键是高速基本单元的复用。

    2.面积换速度

    在这种方法中面积的复制可以换取速度的提高。支持的速度越高,就意味着可以实现更高的产品性能。一些注重产品性能的应用领域可以采用并行处理技术,实现面积换速度。

    硬件可实现原则

    FPGA设计通常会使用HDL语言,比如Verilog HDL或者VHDL。当采用HDL语言来描述一个硬件电路功能的时候,一定要确保代码描述的电路是硬件可实现的。

    Verilog HDL语言的语法与C语言很相似,但是它们之间有着本质的区别。C语言是基于过程的高级语言,编译后可以在CPU上运行。而Verilog HDL语言描述的本身就是硬件结构,编译后是硬件电路。因此,有些语句在C语言的环境中应用是没有问题的,但是在HDL语言环境下就会导致结果不正确或者 不理想。如:

    for(i=0;i<16;i++)

    DoSomething();

    在C语言中运行没有任何问题,但是在Verilog HDL的环境下编译就会导致综合后的资源严重浪费。

    同步设计原则

    同步电路和异步电路是FPGA设计的两种基本电路结构形式。

    异步电路的最大缺点是会产生毛刺。同步设计的核心电路是由各种触发器构成的。这类电路的任何输出都是在某个时钟的边沿驱动触发器产生的。所以,同步设计可以很好地避免毛刺的产生。

12信号分配    可提供最多的多功能引脚、I/O标准、端接方案和差分对的FPGA在信号分配方面也具有最复杂的设计指导原则。尽管Altera的FPGA器件没有设计指导原则(因为它实现起来比较容易),但赛灵思的FPGA设计指导原则却很复杂。但不管是哪一种情况,在为I/O引脚分配信号时,都有一些需要牢记的共同步骤:

    1. 使用一个电子数据表列出所有计划的信号分配,以及它们的重要属性,例如I/O标准、电压、需要的端接方法和相关的时钟。

    2. 检查制造商的块/区域兼容性准则。

    3. 考虑使用第二个电子数据表制订FPGA的布局,以确定哪些管脚是通用的、哪些是专用的、哪些支持差分信号对和全局及局部时钟、哪些需要参考电压。

    4. 利用以上两个电子数据表的信息和区域兼容性准则,先分配受限制程度最大的信号到引脚上,最后分配受限制最小的。例如,你可能需要先分配串行总线和时钟信号,因为它们通常只分配到一些特定引脚。

    5. 按照受限制程度重新分配信号总线。在这个阶段,可能需要仔细权衡同时开关输出(SSO)和不兼容I/O标准等设计问题,尤其是当你具有很多个高速输出或使用了好几个不同的I/O标准时。如果你的设计需要局部/区域时钟,你将可能需要使用高速总线附近的管脚,最好提前记住这个要求,以免最后无法为其安排最合适的引脚。如果某个特定块所选择的I/O标准需要参考电压信号,记住先不要分配这些引脚。差分信号的分配始终要先于单端信号。如果某个FPGA提供了片内端接,那么它也可能适用于其他兼容性规则。

    6. 在合适的地方分配剩余的信号。

    在这个阶段,考虑写一个只包含端口分配的HDL文件。然后通过使用供应商提供的工具或使用一个文本编辑器手动创建一个限制文件,为I/O标准和SSO等增加必要的支持信息。准备好这些基本文件后,你可以运行布局布线工具来确认是否忽视了一些准则或者做了一个错误的分配。

    这将使你在设计的初始阶段就和布局工程师一起工作,共同规划PCB的走线、冗余规划、散热问题和信号完整性。FPGA工具可能可以在这些方面提供帮助,并协助你解决这些问题,因此你必须确保了解你的工具包的功能。

    你咨询一位布局专家的时间越晚,你就越有可能需要去处理一些复杂的问题和设计反复,而这些可能可以通过一些前期分析加以避免。一旦你实现了满意的信号分配,你就要用限制文件锁定它们。

    基于CMOS的设计主要消耗三类功率:内部的(短路)、漏电的(静态的)以及开关的(电容)。当门电路瞬变时,VDD与地之间短路连接消耗内部功率。漏电功耗是CMOS工艺普遍存在的寄生效应引起的。而开关功耗则是自负载电容,放电造成的。开关功耗与短路功耗合在一起称为动态功耗。下面介绍降低静态功耗和动态功耗的设计技巧。

13静态功耗    简介

    虽然静态电流与动态电流相比可以忽略不计,然而对电池供电的手持设备就显得十分重要,在设备通电而不工作时更是如此。静态电流的因素众多,包括处于没有完全关断或接通的状态下的I/O以及内部晶体管的工作电流、内部连线的电阻、输入与三态电驱动器的上拉或下拉电阻。在易失性技术中,保持编程信息也需一定的静态功率。抗熔断是一种非易失性技术,因此信息存储不消耗静态电流。

    功耗的方法

    驱动输入应有充分的电压电平,因而所有晶体管都是完全通导或关闭的。

    由于I/O线上的上拉或下拉电阻要消耗一定的电流,因此尽量避免使用这些电阻。

    少用驱动电阻或双极晶体管,这些器件需维持一个恒定电流,从而增加了静态电流。

    将时钟引脚按参数表推荐条件连接至低电平。悬空的时钟输入会大大增加静态电流。

    在将设计划分为多个器件时,减少器件间I/O的使用。

    eX器件LP方式引脚的使用

    Actel的EX系列设计了特殊的低功率“休眠”模式。在该引脚驱动至高电平800ns后,器件进入极低功率待机模式,待机电流小于100μA。在低功率模式下,所有I/O(除时钟输入外)都处于三态,而内核全部断电。由于内核被断电,触发器中存储的信息会丢失,在进入工作模式(在引脚驱动至低平200ms后)时,用户需再次对器件初始化。同样,用户也应关闭所有通过CLKA、CLKB以及HCLK输入的时钟。然而这些时钟并不处于三态,时钟就可进入器件,从而增加功耗,因此在低功率模式下,时钟输入必须处于逻辑0或逻辑1。

    有时用户很难阻止时钟进入器件。在此场合,用户可使用与CLKA或CLKA相邻的正常输入引脚并在设计中加进CLKINT。这样,时钟将通过靠近时钟引脚的正常输入进入器件,再通过CLKINT向器件提供时钟资源。

    采用这种输入电路后,由于常规I/O是三态的,因此用户不必担心时钟进入器件。当然,增加一级门电路会产生0.6ns的较大时钟延时,幸好这在多数低功率设计中是可以接受的。注意应将与CLKINT缓冲器相关的CLKA或CLKB引脚接地。

    此外还要注意,CLKINT只可用作连线时钟,HCLK并不具备将内部走线网连接到HCLK的能力,因而HCLK资源不能被常规输入驱动。换句话说,如果使用LP引脚就不能使用HCLK;使用HCLK时就应在外部截断时钟信号。

14降低动态功耗    动态功耗是在时钟工作且输入正在开关时的功耗。对CMOS电路,动态功耗基本上确定了总功耗。动态功耗包括几个成分,主要是电容负载充电与放电(内部与I/O)以及短路电流。多数动态功率是内部或外部电容向器件充、放电消耗的。如果器件驱动多个I/O负载,大量的动态电流构成总功耗的主要部分。

    对设计中给定的驱动器,动态功耗由下式计算

    p=CL×V 2 DD×f

    式中,CL是电容负载,VDD是电源电压,f则是开关频率。总功耗是每个驱动器功耗之总和。

    由于VDD是固定的,降低内部功耗就要降低平均逻辑开关频率,减少每个时钟沿处的逻辑开关总数、减少连线网络,特别是高频信号连线网络中的电容值。对低功率设计,需要从系统至工艺的每个设计级别中采取相应预防措施,级别越高,效果越好。

15比较分类    FPGA与CPLD的辨别和分类主要是根据其结构特点和工作原理。通常的分类方法是:

    将以乘积项结构方式构成逻辑行为的器件称为CPLD,如Lattice的ispLSI系列、Xilinx的XC9500系列、Altera的MAX7000S系列和Lattice(原Vantis)的Mach系列等。

    将以查表法结构方式构成逻辑行为的器件称为FPGA,如Xilinx的SPARTAN系列、Altera的FLEX10K或ACEX1K系列等。

    尽管FPGA和CPLD都是可编程ASIC器件,有很多共同特点,但由于CPLD和FPGA结构上的差异,具有各自的特点:

    ①CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑,FP GA更适合于完成时序逻辑。换句话说,FPGA更适合于触发器丰富的结构,而CPLD更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。

    ②CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测的,而FPGA的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性。

    ③在编程上FPGA比CPLD具有更大的灵活性。CPLD通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程,FPGA主要通过改变内部连线的布线来编程;FPGA可在逻辑门下编程,而CPLD是在逻辑块下编程。

    ④FPGA的集成度比CPLD高,具有更复杂的布线结构和逻辑实现。

    ⑤CPLD比FPGA使用起来更方便。CPLD的编程采用E2PROM或FASTFLASH技术,无需外部存储器芯片,使用简单。而FPGA的编程信息需存放在外部存储器上,使用方法复杂。

    ⑥CPLD的速度比FPGA快,并且具有较大的时间可预测性。这是由于FPGA是门级编程,并且CLB之间采用分布式互联,而CPLD是逻辑块级编程,并且其逻辑块之间的互联是集总式的。

    ⑦在编程方式上,CPLD主要是基于E2PROM或FLASH存储器编程,编程次数可达1万次,优点是系统断电时编程信息也不丢失。CPLD又可分为在编程器上编程和在系统编程两类。FPGA大部分是基于SRAM编程,编程信息在系统断电时丢失,每次上电时,需从器件外部将编程数据重新写入SRAM中。其优点是可以编程任意次,可在工作中快速编程,从而实现板级和系统级的动态配置。

    ⑧CPLD保密性好,FPGA保密性差。

    ⑨一般情况下,CPLD的功耗要比FPGA大,且集成度越高越明显。

16应用    电路设计

    连接逻辑,控制逻辑是FPGA早期发挥作用比较大的领域也是FPGA应用的基石.事实上在电路设计中应用FPGA的难度还是比较大的这要求开发者要具备相应的硬件知识(电路知识)和软件应用能力(开发工具)这方面的人才总是紧缺的,往往都从事新技术,新产品的开发成功的产品将变成市场主流基础产品供产品设计者应用在不远的将来,通用和专用IP的设计将成为一个热门行业!搞电路设计的前提是必须要具备一定的硬件知识.在这个层面,干重于学,当然,快速入门是很重要的,越好的位子越不等人电路开发是黄金饭碗.

    产品设计

    把相对成熟的技术应用到某些特定领域如通讯,视频,信息处理等等开发出满足行业需要并能被行业客户接受的产品这方面主要是FPGA技术和专业技术的结合问题,另外还有就是与专业客户的界面问题产品设计还包括专业工具类产品及民用产品,前者重点在性能,后者对价格敏感产品设计以实现产品功能为主要目的,FPGA技术是一个实现手段在这个领域,FPGA因为具备接口,控制,功能IP,内嵌CPU等特点有条件实现一个构造简单,固化程度高,功能全面的系统产品设计将是FPGA技术应用最广大的市场,具有极大的爆发性的需求空间产品设计对技术人员的要求比较高,路途也比较漫长不过现在整个行业正处在组建"首发团队"的状态,只要加入,前途光明产品设计是一种职业发展方向定位,不是简单的爱好就能做到的!产品设计领域会造就大量的企业和企业家,是一个发展热点和机遇。

    系统级

    系统级的应用是FPGA与传统的计算机技术结合,实现一种FPGA版的计算机系统如用Xilinx V-4,V-5系列的FPGA,实现内嵌POWER PC CPU,然后再配合各种外围功能,实现一个基本环境,在这个平台上跑LINUX等系统,这个系统也就支持各种标准外设和功能接口(如图象接口)了这对于快速构成FPGA大型系统来讲是很有帮助的。这种"山寨"味很浓的系统早期优势不一定很明显,类似ARM系统的境况但若能慢慢发挥出FPGA的优势,逐渐实现一些特色系统也是一种发展方向。若在系统级应用中,开发人员不具备系统的扩充开发能力,只是搞搞编程是没什么意义的,当然设备驱动程序的开发是另一种情况,搞系统级应用看似起点高,但不具备深层开发能力,很可能会变成爱好者,就如很多人会做网页但不能称做会编程。类似以上是几点个人观点,希望能帮助想学FPGA但很茫然无措的人理一理思路。这是一个不错的行业,有很好的个人成功机会。但也肯定是一个竞争很激烈的行业,关键看的就是速度和深度当然还有市场适应能力。

17最新应用    北京时间2010年12月30日消息,美英两国科学家联合开发了一款运算速度超快的电脑芯片,使当前台式机的运算能力提升20倍。

    当前的个人电脑使用双核、4核、16核处理器来执行各项任务。如今,美英研究人员开发的中央处理器(CPU)将1000个内核有效集成于一个芯片上。这项突破或将在今后几年开启一个超高速运算的新时代,使家庭用户不再对运行缓慢的电脑系统感到沮丧。虽然速度更快,但由于新型“超级”电脑的能耗远低于当前电脑,所以更加环保。

    研究人员采用了一种名为“现场可编程门阵列”(以下简称“FPGA”)的芯片,使得微晶片就像都含有数百万个晶体管一样,而晶体管则是任何电路的基本组成部分。不过,FPGA芯片可由用户安装到特定电路,它们的功能不是在出厂时就设定好的。这样一来,用户可以将晶体管划分成一个个“小群体”,要求每个“小群体”完成不同的任务。

    通过在FPGA芯片内创建逾1000个微电路,研究人员便将这个芯片变成了1000个内核的处理器——每个内核都可以遵照自己的指令工作。这项研究由英国格拉斯哥大学的韦姆·范德堡韦德(Wim Vanderbauwhede)博士和美国马萨诸塞大学卢维尔分校的同行共同实施。

    范德堡韦德说:“FPGA芯片没有应用于标准电脑上,原因是对FPGA芯片编程相当困难。FPGA芯片的处理能力强大,由于速度更快,能耗相当低,是我们更为环保的选择。”虽然当前市场上销售的电脑大多数内核超过一个,可以同时实施不同任务,但传统多核处理器只能共用一个存储源,这降低了运算速度。范德堡韦德的研究团队给每个内核分配一定量的专用存储空间,从而加快了处理器的运算速度。

    一名用户坐在运算速度很慢的台式机前面,看上去一筹莫展。在测试中,FPGA芯片每秒能处理5GB的数据,处理速度大概相当于当前台式机的20倍。

    范德堡韦德博士说:“这只是初期概念验证研究,我们试图展示对FPGA编程的便捷方式,令其超高速处理的潜力可以更为广泛地应用于未来的运算器和电子设备上。虽然现有许多技术充分使用FPGA芯片,如等离子电视、液晶电视和电脑网络路由器,但它们在标准台式机上的应用却十分有限。”

    “但是,我们看到,包括英特尔和ARM在内的一些厂商已经宣布将开发集成传统CPU与FPGA芯片的微晶片。我认为此类处理器会得到更广泛的应用,有助于在今后几年进一步提升电脑运算速度。”范德堡韦德希望在2011年3月应用重构运算国际研讨会上详细介绍他的研究发现。

18市场发展    事实上90年代后期FPGA市场就已经过一番激烈整合,许多业者不是退出PLD(可程序化逻辑装置)市场,就是出售其PLD业务部门,或将PLD业务部门分立成独立公司,或进行购并等。

    时至今日,FPGA市场的主要业者仅剩数家,包括Altera、Xilinx(赛灵思,过去称为:智霖科技)、Actel、Atmel、Lattice、QuickLogic等,不过2007年11月QuickLogic也确定淡出FPGA市场,并转进发展CSSP(CustomerSpecificStandardProduct)。

    但FPGA领域依然有新兴业者出现,例如AchronixSemiconductor、MathStar等。且除了单纯数字逻辑性质的可程序逻辑装置外,混讯、模拟性质的可程序逻辑装置也展露头角,例如CypressSemiconductor的PSoC(ProgrammableSystem-on-Chip)即具有可组态性的混讯电路,或如Actel公司也提出可程序化的混讯芯片:Fusion,或者也有业者提出所谓的现场可程序化模拟数组(FieldProgrammableAnalogArray;FPAA)等,相信这些都能为可程序化芯片带来更多的发展动能。

    FPGA(现场可编程逻辑器件)产品的应用领域已经从原来的通信扩展到消费电子、汽车电子、工业控制、测试测量等广泛的领域。而应用的变化也使FPGA产品近几年的演进趋势越来越明显:一方面,FPGA供应商致力于采用当前最先进的工艺来提升产品的性能,降低产品的成本;另一方面,越来越多的通用IP(知识产权)或客户定制IP被引入FPGA中,以满足客户产品快速上市的要求。此外,FPGA企业都在大力降低产品的功耗,满足业界越来越苛刻的低功耗需求。

    第一时间采用新工艺提升性能降低成本

    半导体产品的集成度和成本一直在按照摩尔定律演进。在这方面,作为半导体产品的重要一支———可编程逻辑器件也不例外。“最先进的半导体工艺几乎都会在第一时间被应用在FPGA产品上。”骏龙科技公司Altera产品事业部经理胡晟说,“而每一次工艺升级带来的优势,都会在产品的功耗、最高运行频率、容量以及成本上得到体现。”

    引入更多通用和定制IP向解决方案供应商转变

    FPGA的应用已经从过去通信基础设备这一非常窄的领域迅速扩展到了今天非常广泛的应用领域。

    采用各种技术路线争做低功耗之王

    电池供电应用的迅猛增长刺激了全球市场对低功耗半导体的需求。今天,系统设计人员面对更加严格的系统总体功耗限制。与此同时,这类应用所要求的功能、性能和复杂度也在增加,但却不能以增加电池为代价。为此,原来在功耗指标上并不占优的FPGA产品开始采用各种新技术来降低和优化功耗。

 
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