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FPGA

  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。
FPGA

FPGA概述

  单片机可以理解为集成在单一芯片上的微型计算机系统,麻雀虽小可是五脏俱全,也有运算器控制器存储器总线及输入输出设备,采用也是存储程序执行的方式,对单片机的编程就是对其中的ROM写入程序,在加电后ROM中的程序会像计算机内存中的程序一样得到逐条的执行。当今的单片机还集成了A/D、D/A转换,并串口等多种与外界进行数据交换的手段。单片机计算速度和性能有限,但在一些基本控制上搓绰绰有余。

  FPGA则是操控层次更低,所以自由度更大的芯片,对FPGA的编程在编译后是转化为FPGA内的连线表,相当于FPGA内提供了大量的与非门、或非门、触发器(可以用与非门形成吧)等基本数字器件,编程决定了有多少器件被使用以及它们之间的连接。只要FPGA规模够大,这些数字器件理论上能形成一切数字系统,包括单片机甚至CPUFPGA在抗干扰,速度上有很大优势。

FPGA发展背景

  目前以硬件描述语言(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(专用集成芯片)的速度要慢,无法完成复杂的设计,而且消耗更多的电能。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(复杂可编程逻辑器件备)。

  CPLDFPGA的关系

  早在1980年代中期,FPGA已经在PLD设备中扎根。CPLDFPGA包括了一些相对大数量的可以编辑逻辑单元。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。   CPLDFPGA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。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。   CPLDFPGA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。一个因此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。

FPGA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)、输出输入模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。

FPGA的基本特点

  1)采用FPGA设计ASIC电路(特定用途集成电路),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)FPGAASIC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CHMOS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EPROMPROM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。

FPGA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最近推出的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。

  最近FPGA的配置方式已经多元化!

FPGA的应用

  微处理器是为通用而设计的,必须按照时钟的节拍,逐条取指、译指、执行,大多用于低速、实时性要求不高的场合,例如石油探测;FPGA 应用场合相当多,特别是在高速的、实时性强并对时间要求相当苛刻的场合,有很强的数据处理能力,例如无线通信、雷达探测等;是FPGA的一些典型应用:

  典型应用一:接口逻辑控制——提供前所未有的灵活性

  1、PCIPCI Express、PS/2、USB等接口控制器

  2、SDRAM、DDR、SDRAM、QDR、SRAM、NAND Flash、NOR Flash等接口控制器

  3、电平转换,LVDS、TTL、COMS、SSTL等

  典型应用二:高速的数字信号处理——提供前所未有的计算能力

  1、无线通信领域,如软件无线电(SDR);

  2、视频图像处理领域,如高清晰数字电视(HDTV);

  3、军事和航空航天领域,如雷达声纳、安全通信。

  其他应用领域

  1、汽车,如网关控制器、车用PC、远程信息处理系统等;

  2、消费产品,如显示器/投影仪数字电视机顶盒、家庭网络等;

  3、医疗,如电疗、血液分析仪、医疗检测设备等

  4、通信设备 ,如蜂窝基础设施、宽带无线通信、软件无线电

  5、测试与测量,如通信测试与监测、半导体、自动测试设备、通用仪表等。

FPGA设计的注意事项

  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。

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