FPGA入门

FPGA入门FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD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。PAL??GAL??EPLD??FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚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FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容CHMOS??CMOS、TTL???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目前FPGA的品种很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。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。现场可编程门阵列（FPGA）是基于通过可编程互联连接的可配置逻辑块（CLB）矩阵的可编程半导体器件。与为特殊设计而定制的专用集成电路（ASIC）相对，FPGA可以针对所需的应用或功能要求进行编程。虽然具有一次性可编程（OTP）FPGA，但是主要是基于SRAM的，其可随着设计的演化进行重编程。当今的FPGA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（ASIC型）块。CLB是FPGA内的基本逻辑单元。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）和触发器组成的可配置开关矩阵。开关矩阵是高度灵活的，可以进行配置以便处理组合逻辑、移位寄存器或RAM。CLB提供了逻辑性能，灵活的互联布线在CLB和I/O之间发送信号。有几种布线方法，从专门实现CLB互联的到快速水平和垂直长线，再到实现时钟与其它全局信号的低歪斜发送的器件。除非特别规定，设计软件使得互联布线任务从用户眼前消失，这样就极大地降低了设计复杂度。当今的FPGA支持很多I/O标准，这样就为您的系统提供了理想的接口连接。FPGA内的I/O按组分类，每组都能够独立的支持不同的I/O标准。当今领先的FPGA提供了很多I/O组，这样就实现了I/O支持的灵活性。大多数FPGA均提供嵌入式BlockRAM存储器，这可以在您的设计中实现片上存储器。这可以为您的设计实现片上存储器。XilinxFPGA在36kbit块中提供高达10Mbits的片上存储器，可以支持真正的双端口操作。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推出的最先进的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，并能够实现过滤功能。片上器件的尺寸正在缩减，金属层数目则继续增加。所有这些条件都有利于PLD/FPGA在市场上的普及。此外，因特网发展的趋势也有利于FPGA，所有这些门电路能用许多线快速轻松地连接起来，有助于加速芯片实现过程并增强性能FPGA将成为设计平台，它们将使微处理器、DSP、互连电容和开关构成的系统变为全能的通用平台，从而消除设计中的差异。可编程器件要么是一次可编程，要么在现场和工厂可编程数次。对于可重配置器件，不仅可编程，还具有其它功能。该器件在功能系统中还具有重编程功能，此即为可重配置器件成为真正‘人见人爱器件’的原因。”可重配置器件将具备人格化重编程，并无须完全关闭其驻留的系统。这与可编程器件相比大不相同，后者在对新要求重编程之前，总要求系统完全关闭可编程芯片是能编程实现不同功能的芯片，它可实现远程编程以执行不同功能的芯片。可重配置芯片是一种设计概念，通常视为能实时重配置的可重编程设计。根据环境的变化，可重配置芯片因此具有在不同场合应用、及时执行不同或多种功能的特性。可重配置器件只是可重编程器件的子集，而可重编程器件是可编程器件的子集某些FPGA是可重编程的，而另一些是不可重编程的固定功能器件通常指为某种目的加以硬连接，且其功能不可通过软件程序更改的逻辑器件。固定功能有时应用于ASIC，但自从现在某些ASIC拥有一定的可编程能力后，它们就不总是具有完全的固定功能。目前该术语的一种普遍用法是“固定功能加速器”，这指的是用以增加可编程器件的特定硬连接功能。蜂窝电话通常具有应用“固定功能计算器”的核心CPU，以增强其从事特定任务的性能。可编程器件即部分功能可由软件程序更改的器件。该术语被广泛地用来描述各层次的可编程器件，因此很容易产生混淆PAL自称是“可编程”器件，但实际上其所具有的可编程特性与微处理器的可编程特性大相径庭。PAL通常只在安装进入系统之前进行一次编程，并且对于所有的实际应用，PAL在系统中具有固定的功能。微处理器是可编程领域的另一极端，因为微处理器通常拥有指令内存、数据内存和其他资源，所有这些资源都可被软件程序员用来不断改变其所驻留的器件的功能特性。可编程器件除PAL和微处理器之外，存在许多介于两者之间并且具有不同层次可编程性和多功能性的器件。某些销售商提供了一次性可编程(OTP)电路，如PROM、EPROM，甚至像上述PAL示例中的微控制器，为用户提供了一次编程机会这些器件一经编程，软件和功能就无法再次更改可重编程器件尽管该术语表面看来具有比“可编程器件”更多的功能，但实际上并非如此可重编程特性通常指的是在永久安装到终端系统之前可被编程多次的器件。但这些系统不能像微处理器那样永久可被重编程。可重编程器件指的是类似电子可编程只读存储器(EEPROM)的器件，以区别于EPROM和PAL这样的同类产品。可重配置器件通常用来描述现场可编程的门阵列(FPGA)或可重配置的半导体IP。“可重配置器件”本意指的是硬件FPGA自身可重配置为用户期望的任意电路的硬件电路在驻留系统期间，可随时改变成全新的硬件配置，或者作为固定功能电路，或者作为运行软件的可编程微处理器。可重配置器件允许具备比可编程微处理器更灵活的特性，因为该器件并不拘泥于微处理器具备的原始指令集。可复用器件该术语通常指的是半导体IP，并包含在芯片设计中具有某种程度可复用特性的IP核或功能块某些IP销售商以“软核”的形式提供IP。这意味着理论上IP能被合成并应用于跨越多个工厂工艺参数的许多不同芯片设计，这使得用户可以优化IP的价格、性能、功耗及上市销售时间这与那些只为特定工厂的工艺提供特定优化应用参数的“硬核”形成了鲜明对比。可升级器件这是一个使用过于广泛而无法给出精确含义的术语，该术语用来描述可被一次次重复使用的技术功能。可升级通常指的是技术跨越产品性能范围、功耗极限、价格范围所具备的升级技术功能。解决方案，FPGA器件、IP和工具。除了提供计算机和网络器件之外，还提供PLD器件。解决方案、宏以及开发软件。设计、开发、生产和推广PLD、FPGA器件。和存储器。解决方案，包括先进集成电路、软件电路、软件设计工具、预定义系统功能核、非并行现场工程支持和高密度器件。FPGA与ASIC对比FPGA和ASIC的设计优势比较FPGA的设计优势ASIC的设计优势更快的面市时间-无需布线、掩模和其它制造步骤。全定制性能-实现设计，因为器件满足设计技术要求。无NRE（临时花费）-与ASIC设计有关的成本降低单位成本-用于实现大批量设计缩短了设计周期-由于软件可以处理很多布线、布局和实现问题。小型化-器件满足设计技术要求。更加可预测的项目周期-由于消除了可能的re-spin、晶圆容量等。较高的内部时钟速度现场可重编程能力-可以远程上传的新比特流。过去FPGA用于速度／复杂度／容量较低的设计，而今天的FPGA可以轻松突破500MHz的性能障碍。FPGA能够以更低的价格实现无可比拟的逻辑密度增加和一大批其它特性（如嵌入式处理器、DSP块、时钟技术和高速串行），现已几乎成为任何设计的首选。FPGA设计流程消除了复杂的而又耗时的平面布局、布局和布线、时序分析和掩模／项目的re-spin阶段，因为设计逻辑已经综合到通过验证的、特色FPGA器件上来。XilinxFPGA产品Virtex-5和Spartan-3FPGA对比列表特点Virtex-5Spartan-3系统门高达12,000K50K-5000K用户I/O高达1200高达784支持的I/O标准超过40个24时钟管理-DCM是是时钟管理-PLL是否嵌入式BlockRAM高达5Mbits高达1.8MbitsDSP用嵌入式乘法器是是千兆位级高速串行是否软处理器支持是是Xilinx解决方案通过缩短开发产品和将它们推向市场所需的时间，Xilinx可编程逻辑解决方案有助于将电子设备制造商的风险降至最低水平。您能够以比传统方法（如掩模编程的、固定逻辑门阵列）快得多的速度设计和验证Xilinx可编程器件中独特的电路。并且，因为Xilinx器件是只需要进行编程的标准产品，所以您无需等待原型，也无需支付大量的临时工程（NRE）成本。对于每个设计项目的成功而言，解决方案的软件部分都是至关重要的。Xilinx软件解决方案提供了功能强大的工具，能够简化可编程逻辑的设计工作。按钮设计流程、集成式在线帮助、多媒体辅导资料和高性能自动与自动交互式工具能够帮您获得最优的结果。并且，业界最广泛的可编程逻辑技术和EDA集成选项可以提供无可比拟的设计灵活性。Xilinx提供的解决方案还包括领先的芯片产品、先进的软件解决方案和世界级的技术支持。FPGA技术及其发展趋势在数字电路设计中，FPGA(FieldProgrammableGateArray，现场可编程门阵列)发挥着越来越重要的作用。从简单的接口电路设计到复杂的状态机，甚至系统级芯片(SoC—SystemOnChip)，FPGA所扮演的角色已经不容忽视。它的可编程特性带来了电路设计的灵活性，缩短了产品上市的时间。FPGA设计技术已经成为电子工程师必须掌握的一项技能。FPGA简介FPGA是PAL(PmgrarnmabieArrayLogic，可编程阵列逻辑)、GAL(GenericArrayLogic，通用阵列逻辑)、PLD(ProgrammableLogicDevice，可编程逻辑器件)等可编程器件的基础上发展起来的。FPGA是一种半定制专用集成电路(ASIC)，它的出现既解决了全定制ASIC的不足，又克服