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FPGA

FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

以硬件描述语言(VerilogVHDL)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)。

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。

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。

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。

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。

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,但是功耗较低。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)。

目前全球知名的FPGA生产厂商有:

1.Altera,开发平台是Quartus II

2.Xilinx 开发平台是ISE

3.Actel ,开发平台是Libero

4.Lattice

5.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。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,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。

不管你是一名逻辑设计师、硬件工程师系统工程师,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。

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。

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开发,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。

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。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。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。

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  

近5年来,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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