FPGA的基础知识

1 第一章 FPGA 概述 1、 数字集成电路的发展 数字集成电路由最初的电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模集成电路 （VLSIC）发展到专用集成电路（ASIC）， 专用集成电路的出现降低了设计的成本、 提高了可靠性、 缩小了物理尺寸， 但 ASIC 的设计周期长、 改版投资大、 灵活性差。 例如 0.18um 的芯片， 如果集成的芯片超过 100 万门， 其成本超过 200 万元人民币以上， 其风险是显而易见的。 为了避免这种风险， 就出现了可编程逻辑器件， 包括现场可编程门阵列 FPGA （Field Programmable Gate Array） 器件和复杂可编程逻辑器件 CPLD（Complex Programmable Logic Device）， 可编程逻辑器件能够在实验室中进行设计、 更改、 研制并马上投入使用。 和 ASIC 相比， PLD的集成度更高， 设计的个性化更浓， 且具有可修改性， 开发成本也较低。 FPGA 由 Xilinx 公司在 1985 年首家推出， 采用 CMOS-SRAM 工艺制作。 FPGA 的结构一般分为三部分： 可编程逻辑块 CLB（configurable Logic Block）、 可编程 I/O 模块（I/O Block） 和可编程内部连线，FPGA 出现后受到电子设计工程师的普遍欢迎，发展十分迅速。 Xilinx、 Altera 和 Actel 等公司都提供高性能的 FPGA 芯片。 2、 FPGA 技术的发展现状及发展趋势 FPGA 在 1985 年由 Xilinx 公司首家推出至今已有近 30 年的历史， 不过过去十多年时间内 FPGA 都未受到太多的重视， 原因是 FPGA 的功耗用电、 电路密度、 频率效能、 电路成本等都不如 ASIC， 在这十多年时间内， FPGA 多半只用在一些特殊领域， 例如芯片业者针对新产品测试市场反应， 即便初期产品未达量产规模， 也能先以 FPGA 制成产品测试。 或者有些芯片设计公司承接了小型的设计项目， 在量产规模不足下也一样使用 FPGA， 或如政府、 军方的特殊要求， 不期望使用开放、 标准性的芯片与电路， 也会倾向使用 FPGA。 随着工艺技术的发展， FPGA 在电路密度及频率效能方面逐渐逼近 ASIC， 而其独有的现场可编程特性是 ASIC 无法比拟的。 目前 FPGA 的应用主要有三个方向： 第一个方向， 也是传统方向主要用于通信设备的高速接口电路设计， 这一方向主要是用 FPGA 处理高速接口的协议， 并完成高速的数据收发和交换。 这类应用通常要求采用具备高速收发接口的 FPGA， 同时要求设计者懂得高速接口电路设计和高速数字电路板级设计， 具备 EMC/EMI 设计知识， 以及较好的模拟电路基础，需要解决在高速收发过程中产生的信号完整性问题。 FPGA 最初以及到目前最广的应用就是在通信领域， 一方面通信领域需要高速的通信协议处理方式， 另一方面通信协议随时在修改，非常不适合做成专门的芯片。因此能够灵活改变功能的 FPGA就成为首选。到目前为止FPGA的一半以上的应用也是在通信行业。 第二个方向， 可以称为数字信号处理方向或者数学计算方向。 例如早在 2006 年美国就将 FPGA 用于金融数据分析， 后来又出现将 FPGA 用于医学数据分析的案例。 在这一方向要求 FPGA 设计者有一定的数学功底， 能够理解并改进较为复杂的数学算法， 并利用 FPGA内部的各种资源使之变为实际的运算电路。 第三个方向就是 SOPC（可编程片上系统） 方向。 利用 FPGA 平台搭建一个嵌入式系统的底层硬件环境， 然后由设计者在上面进行嵌入式软件开发。 进入 21 世纪， 随着集成工艺的发展， 生产规模的提高及应用成本的下降， 使 FPGA 的应用越来越广泛。 比如说高效运算方面， 将一些重复性的常用函数式改用Ｆ Ｐ ＧＡ的硬件线路执行， 以硬件线路方式来执行运算， 将比以前用纯软件方式执行快数十倍甚至数百倍的效能； 再如在芯片开发时的逻辑功效验证方面， 将新芯片的逻辑电路加载到Ｆ Ｐ ＧＡ， 让Ｆ ＰＧＡ充当新芯片来执行， 不仅加速验证程序， 也可以节省验证成本； 此外， 由于Ｆ Ｐ ＧＡ同时间可平行执行的数字信号运算量比Ｄ Ｓ Ｐ 大， 当数字信号运算的需求量足够大时， Ｆ Ｐ ＧＡ在价格效能比上足以远超Ｄ Ｓ Ｐ ， 因此可取代Ｄ Ｓ Ｐ 进行数字信号处理。