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FPGA(Field-Programmable Gate Array),即現場可編程門陣列,它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定製電路而出現的,既解決了定製電路的不足,又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。

1FPGA簡介

產品比較
早在1980年代中期,FPGA已經在PLD設備中紮根。CPLD和FPGA包括了一些相對大數量的可編輯邏輯單元。CPLD邏輯門的密度在幾千到幾萬個邏輯單元之間,而FPGA通常是在幾萬到幾百萬。
CPLD和FPGA的主要區別是他們的系統結構。CPLD是一個有點限制性的結構。這個結構由一個或者多個可編輯的結果之和的邏輯組列和一些相對少量的鎖定的寄存器。這樣的結果是缺乏編輯靈活性,但是卻有可以預計的延遲時間和邏輯單元對連接單元高比率的優點。而FPGA卻是有很多的連接單元,這樣雖然讓它可以更加靈活的編輯,但是結構卻複雜的多。
CPLD和FPGA另外一個區別是大多數的FPGA含有高層次的內置模塊(比如加法器和乘法器)和內置的記憶體。因此一個有關的重要區別是很多新的FPGA支持完全的或者部分的系統內重新配置。允許他們的設計隨著系統升級或者動態重新配置而改變。一些FPGA可以讓設備的一部分重新編輯而其他部分繼續正常運行。
CPLD和FPGA還有一個區別:CPLD下電之後,原有燒入的邏輯結構不會消失;而FPGA下電之後,再次上電時,需要重新載入FLASH裡面的邏輯代碼,需要一定的載入時間。

2FPGA發展史

每一個后看來很成功的新事物,從誕生到發展壯大都不可避免地經歷過艱難的歷程,並可能成為被研究的案例,FPGA也不例外。
1985年,當全球首款FPGA產品——XC2064誕生時,註定要使用大量晶元的PC機剛剛走出矽谷的實驗室進入商業市場,網際網路只是科學家和政府機構通信的神秘鏈路,無線電話笨重得像磚頭,日後大紅大紫的BillGates正在為生計而奮鬥,創新的可編程產品似乎並沒有什麼用武之地。
事實也的確如此。最初,FPGA只是用於膠合邏輯(GlueLogic),從膠合邏輯到演算法邏輯再到數字信號處理、高速串列收發器和嵌入式處理器,FPGA真正地從配角變成了主角。在以閃電般速度發展的半導體產業里,22年足夠改變一切。「在未來十年內每一個電子設備都將有一個可編程邏輯晶元」的理想正成為現實。
1985年,Xilinx公司推出的全球第一款FPGA產品XC2064怎麼看都像是一隻「醜小鴨」——採用2μm工藝,包含64個邏輯模塊和85000個晶體管,門數量不超過1000個。22年後的2007年,FPGA業界雙雄Xilinx和Altera公司紛紛推出了採用最新65nm工藝的FPGA產品,其門數量已經達到千萬級,晶體管個數更是超過10億個。一路走來,FPGA在不斷地緊跟並推動著半導體工藝的進步——2001年採用150nm工藝、2002年採用130nm工藝,2003年採用90nm工藝,2006年採用65nm工藝。
在上世紀80年代中期,可編程器件從任何意義上來講都不是當時的主流,雖然其並不是一個新的概念。可編程邏輯陣列(PLA)在1970年左右就出現了,但是一直被認為速度慢,難以使用。1980年之後,可配置可編程邏輯陣列(PAL)開始出現,可以使用原始的軟體工具提供有限的觸發器和查找表實現能力。PAL被視為小規模/中等規模集成膠合邏輯的替代選擇被逐步接受,但是當時可編程能力對於大多數人來說仍然是陌生和具有風險的。20世紀80年代在「megaPAL」方面的嘗試使這一情況更加嚴重,因為「megaPAL」在功耗和工藝擴展方面有嚴重的缺陷,限制了它的廣泛應用。
然而,Xilinx公司創始人之一——FPGA的發明者RossFreeman認為,對於許多應用來說,如果實施得當的話,靈活性和可定製能力都是具有吸引力的特性。也許最初只能用於原型設計,但是未來可能代替更廣泛意義上的定製晶元。事實上,正如Xilinx公司亞太區營銷董事鄭馨南所言,隨著技術的不斷發展,FPGA由配角到主角,很多系統設計都是以FPGA為中心來設計的。FPGA走過了從初期開發應用到限量生產應用再到大批量生產應用的發展歷程。從技術上來說,最初只是邏輯器件,現在強調平台概念,加入數字信號處理、嵌入式處理、高速串列和其他高端技術,從而被應用到更多的領域。「過去20年來,PLD產品的終極目標一直瞄準速度、成本和密度三個指標,即構建容量更大、速度更快和價格更低的FPGA,讓客戶能直接享用。」Actel司總裁兼首席執行官JohnEast如此總結可編程邏輯產業的發展脈絡。
當1991年Xilinx公司推出其第三代FPGA產品——XC4000系列時,人們開始認真考慮可編程技術了。XC4003包含44萬個晶體管,採用0.7μm工藝,FPGA開始被製造商認為是可以用於製造工藝開發測試過程的良好工具。事實證明,FPGA可為製造工業提供優異的測試能力,FPGA開始用來代替原先存儲器所扮演的用來驗證每一代新工藝的角色。也許從那時起,向最新製程半導體工藝的轉變就已經不可阻擋了。最新工藝的採用為FPGA產業的發展提供了機遇。
Actel公司相信,Flash將繼續成為FPGA產業中重要的一個增長領域。Flash技術有其獨特之處,能將非易失性和可重編程性集於單晶元解決方案中,因此能提供高成本效益,而且處於有利的位置以搶佔龐大的市場份額。Actel以Flash技術為基礎的低功耗IGLOO系列、低成本的ProASIC3系列和混合信號Fusion FPGA將因具備Flash的固有優勢而繼續引起全球廣泛的興趣和注意。
Altera公司估計可編程邏輯器件市場在2006年的規模大概為37億美元,Xilinx公司的估計更為樂觀一些,為50億美元。雖然兩家公司合計佔據該市場90%的市場份額,但是作為業界老大的Xilinx公司在2006年的營收不過18.4億美元,Altera公司則為12.9億美元。PLD市場在2000年達到41億美元,其後兩年出現了下滑,2002年大約為23億美元。雖然從2002年到2006年,PLD市場每年都在增長,複合平均增長率接近13%,但是PLD終究是一個規模較小的市場。而Xilinx公司也敏銳地意識到,FPGA產業在經歷了過去幾年的快速成長后將放慢前進的腳步,那麼,未來FPGA產業的出路在哪裡?
Altera公司總裁兼首席執行官John Daane認為,FPGA及PLD產業發展的最大機遇是替代ASIC和專用標準產品(ASSP),主要由ASIC和ASSP構成的數字邏輯市場規模大約為350億美元。由於用戶可以迅速對PLD進行編程,按照需求實現特殊功能,與ASIC和ASSP相比,PLD在靈活性、開發成本以及產品及時面市方面更具優勢。然而,PLD通常比這些替代方案有更高的成本結構。因此,PLD更適合對產品及時面市有較大需求的應用,以及產量較低的最終應用。PLD技術和半導體製造技術的進步,從總體上縮小了PLD和固定晶元方案的相對成本差,在以前由ASIC和ASSP佔據的市場上,Altera公司已經成功地提高了PLD的銷售份額,並且今後將繼續這一趨勢。「FPGA和PLD供應商的關鍵目標不是簡單地增加更多的原型客戶,而是向大批量應用最終市場和客戶滲透。」John Daane為FPGA產業指明了方向。
Xilinx公司認為,ASIC SoC設計周期平均是14個月到24個月,用FPGA進行開發時間可以平均降低55%。而產品晚上市六個月5年內將少33%的利潤,每晚四周等於損失14%的市場份額。因此,鄭馨南雄心勃勃地預言:「FPGA應用將不斷加快,從面向50億美元的市場擴展到面向410億美元的市場。」其中,ASIC和ASSP市場各150億美元,嵌入式處理和高性能DSP市場各30億美元。
雖然沒有像蒸汽機車發明之初備受嘲笑被譏諷為「怪物」,但是FPGA在誕生之初受到懷疑是毫無疑問的。當時,晶體管邏輯門資源極為珍貴,每個人都希望用到的晶體管越少越好。不過,Ross Freeman挑戰了這一觀念,他大膽預言:「在未來,晶體管將變得極為豐富從而可以『免費』使用。」如今,這一預言成為現實。
「FPGA非常適用於原型設計,但對於批量DSP系統應用來說,成本太高,功耗太大。」這是業界此前的普遍觀點,很長時間以來也為FPGA進入DSP領域設置了觀念上的障礙。而如今,隨著Xilinx公司和Altera公司相關產品的推出,DSP領域已經不再是FPGA的禁區,相反卻成了FPGA未來的希望所在。
FPGA對半導體產業最大的貢獻莫過於創立了無生產線(Fabless)模式。如今採用這種模式司空見慣,但是在20多年前,製造廠被認為是半導體晶元企業必須認真考慮的主要競爭優勢。然而,基於過去和關係和直接、清晰的業務模式,Xilinx創始人之一Bernie Vonderschmitt成功地使日本精工公司(Seiko)確信利用該公司的製造設施來生產Xilinx公司設計的晶元對雙方都是有利的,於是,無生產線模式誕生了。
未來,相信FPGA還將在更多方面改變半導體產業!

3工作原理

FPGA採用了邏輯單元陣列LCA(Logic Cell Array)這樣一個概念,內部包括可配置邏輯模塊CLB(Configurable Logic Block)、輸出輸入模塊IOB(Input Output Block)和內部連線(Interconnect)三個部分。 現場可編程門陣列(FPGA)是可編程器件,與傳統邏輯電路和門陣列(如PAL,GAL及CPLD器件)相比,FPGA具有不同的結構。FPGA利用小型查找表(16×1RAM)來實現組合邏輯,每個查找表連接到一個D觸發器的輸入端,觸發器再來驅動其他邏輯電路或驅動I/O,由此構成了既可實現組合邏輯功能又可實現時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊,這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過向內部靜態存儲單元載入編程數據來實現的,存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯接方式,並最終決定了FPGA所能實現的功能,FPGA允許無限次的編程。

4FPGA電源

電源要求
為確保正確上電,內核電壓VCCINT的緩升時間必須在製造商規定的範圍內。對於一些FPGA,由於VCCINT會在晶體管閾值導通前停留更多時間,因此過長的緩升時間可能會導致啟動電流持續較長時間。如果電源向FPGA提供大電流,則較長的上電緩升時間會引起熱應力。ADI公司的DC-DC穩壓器提供可調軟啟動,緩升時間可以通過外部電容進行控制。緩升時間典型值在20ms至100ms範圍內。
許多FPGA沒有時序控制要求,因此VCCINT、VCCO和VCCAUX可以同時上電。如果這一點無法實現,上電電流可以稍高。時序要求依具體FPGA而異。對於一些FPGA,必須同時給VCCINT和VCCO供電。對於另一些FPGA,這些電源可按任何順序接通。多數情況下,先給VCCINT后給VCCO供電是一種較好的做法。
當VCCINT在0.6V至0.8V範圍內時,某些FPGA系列會產生上電湧入電流。在此期間,電源轉換器持續供電。這種應用中,因為器件需通過降低輸出電壓來限制電流,所以不推薦使用返送電流限制。但在限流電源解決方案中,一旦限流電源所供電的電路電流超過設定的額定電流,電源就會將該電流限制在額定值以下。
基礎問題
FPGA的基礎就是數字電路和VHDL語言,想學好FPGA的人,建議床頭都有一本數字電路的書,不管是哪個版本的,這個是基礎,多了解也有助於形成硬體設計的思想。在語言方面,建議初學者學習Verilog語言,VHDL語言語法規範嚴格,調試起來很慢,Verilog語言容易上手,而且,一般大型企業都是用Verilog語言,VHDL語言規範,易讀性強,所以一般軍工都用VHDL。
思想問題
對於初學者,特別是從軟體轉過來的,設計的程序既費資源又速度慢,而且很有可能綜合不了,這就要求我們熟悉一些固定模塊的寫法,可綜合的模塊很多書上都有,語言介紹上都有,不要想當然的用軟體的思想去寫硬體。
.演算法問題
做FPGA的工程師,最後一般都是專攻演算法了,這些基礎知識都是順手捏來的,如果你沒有做好搞理論的準備,學FPGA始終只能停留在初級階段上。對於初學者,數字信號處理是基礎,應該好好理解,往更深的方向,不用什麼都學,根據你以後從事的方向,比如說通信、圖像處理,雷達、聲納、導航定位等。

5配置模式

FPGA有多種配置模式:并行主模式為一片FPGA加一片EPROM的方式;主從模式可以支持一片PROM編程多片FPGA;串列模式可以採用串列PROM編程FPGA;外設模式可以將FPGA作為微處理器的外設,由微處理器對其編程。
如何實現快速的時序收斂、降低功耗和成本、優化時鐘管理並降低FPGA與PCB并行設計的複雜性等問題,一直是採用FPGA的系統設計工程師需要考慮的關鍵問題。如今,隨著FPGA向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向發展,系統設計工程師在從這些優異性能獲益的同時,不得不面對由於FPGA前所未有的性能和能力水平而帶來的新的設計挑戰。
例如,領先FPGA廠商Xilinx推出的Virtex-5系列採用65nm工藝,可提供高達33萬個邏輯單元、1,200個I/O和大量硬IP塊。超大容量和密度使複雜的布線變得更加不可預測,由此帶來更嚴重的時序收斂問題。此外,針對不同應用而集成的更多數量的邏輯功能、DSP、嵌入式處理和介面模塊,也讓時鐘管理和電壓分配問題變得更加困難。
幸運地是,FPGA廠商、EDA工具供應商正在通力合作解決65nm FPGA獨特的設計挑戰。不久以前,Synplicity與Xilinx宣布成立超大容量時序收斂聯合工作小組,旨在最大程度地幫助系統設計工程師以更快、更高效的方式應用65nm FPGA器件。設計軟體供應商Magma推出的綜合工具Blast FPGA能幫助建立優化的布局,加快時序的收斂。
FPGA的配置方式已經多元化!

6主要生產

全球知名的FPGA生產廠商有:
1.Altera,開發平台是Quartus II
2.Xilinx 開發平台是ISE
3.Actel ,開發平台是Libero
4.Lattice
5.Atmel
其中Altera作為世界老牌可編程邏輯器件的廠家,是可編程邏輯器件的發明者,開發軟體MAX+PLUSII和QuartusII。Xilinx是FPGA的發明者,擁有世界一半以上的市場,提供90%的高端65nmFPGA產品,開發軟體為ISE。Actel主要提供非易失性FPGA,產品主要基於反熔絲工藝和FLASH工藝,其產品主要用于軍用和宇航。
Altera和Xilinx主要生產一般用途FPGA,其主要產品採用RAM工藝。Actel主要提供非易失性FPGA,產品主要基於反熔絲工藝和FLASH工藝。

7設計注意

不管你是一名邏輯設計師、硬體工程師或系統工程師,甚或擁有所有這些頭銜,只要你在任何一種高速和多協議的複雜系統中使用了FPGA,你就很可能需要努力解決好器件配置、電源管理、IP集成、信號完整性和其他的一些關鍵設計問題。不過,你不必獨自面對這些挑戰,因為在當前業內領先的FPGA公司里工作的應用工程師每天都會面對這些問題,而且他們已經提出了一些將令你的設計工作變得更輕鬆的設計指導原則和解決方案。

8FPGA設計的三大黃金法則

二.硬體可實現原則
FPGA設計通常會使用HDL語言,比如Verilog HDL或者VHDL。當採用HDL語言來描述一個硬體電路功能的時候,一定要確保代碼描述的電路是硬體可實現的。
  Verilog HDL語言的語法與C語言很相似,但是它們之間有著本質的區別。C語言是基於過程的高級語言,編譯后可以在CPU上運行。而Verilog HDL語言描述的本身就是硬體結構,編譯后是硬體電路。因此,有些語句在C語言的環境中應用是沒有問題的,但是在HDL語言環境下就會導致結果不正確或者 不理想。如:
  
  for(i=0;i<16;i++)
  DoSomething();
  
  在C語言中運行沒有任何問題,但是在Verilog HDL的環境下編譯就會導致綜合后的資源嚴重浪費。
簡介
雖然靜態電流與動態電流相比可以忽略不計,然而對電池供電的手持設備就顯得十分重要,在設備通電而不工作時更是如此。靜態電流的因素眾多,包括處於沒有完全關斷或接通的狀態下的I/O以及內部晶體管的工作電流、內部連線的電阻、輸入與三態電驅動器的上拉或下拉電阻。在易失性技術中,保持編程信息也需一定的靜態功率。抗熔斷是一種非易失性技術,因此信息存儲不消耗靜態電流。
電路設計應用
連接邏輯,控制邏輯是FPGA早期發揮作用比較大的領域也是FPGA應用的基石.事實上在電路設計中應用FPGA的難度還是比較大的這要求開發者要具備相應的硬體知識(電路知識)和軟體應用能力(開發工具)這方面的人才總是緊缺的,往往都從事新技術,新產品的開發成功的產品將變成市場主流基礎產品供產品設計者應用在不遠的將來,通用和專用IP的設計將成為一個熱門行業!搞電路設計的前提是必須要具備一定的硬體知識.在這個層面,乾重於學,當然,快速入門是很重要的,越好的位子越不等人電路開發是黃金飯碗.
系統級應用
系統級的應用是FPGA與傳統的計算機技術結合,實現一種FPGA版的計算機系統如用Xilinx V-4,V-5系列的FPGA,實現內嵌POWER PC CPU,然後再配合各種外圍功能,實現一個基本環境,在這個平台上跑LINUX等系統這個系統也就支持各種標準外設和功能介面(如圖象介面)了這對於快速構成FPGA大型系統來講是很有幫助的。這種"山寨"味很濃的系統早期優勢不一定很明顯,類似ARM系統的境況但若能慢慢發揮出FPGA的優勢,逐漸實現一些特色系統也是一種發展方向。若在系統級應用中,開發人員不具備系統的擴充開發能力,只是搞搞編程是沒什麼意義的,當然設備驅動程序的開發是另一種情況,搞系統級應用看似起點高,但不具備深層開發能力,很可能會變成愛好者,就如很多人會做網頁但不能稱做會編程類似以上是幾點個人開發,希望能幫助想學FPGA但很茫然無措的人理一理思路。這是一個不錯的行業,有很好的個人成功機會。但也肯定是一個競爭很激烈的行業,關鍵看的就是速度和深度當然還有市場適應能力。

9最新應用

北京時間2010年12月30日消息,美英兩國科學家聯合開發了一款運算速度超快的電腦晶元,使當前台式機的運算能力提升20倍。
當前的個人電腦使用雙核、4核、16核處理器來執行各項任務。如今,美英研究人員開發的中央處理器(CPU)將1000個內核有效集成於一個晶元上。這項突破或將在今後幾年開啟一個超高速運算的新時代,使家庭用戶不再對運行緩慢的電腦系統感到沮喪。雖然速度更快,但由於新型「超級」電腦的能耗遠低於當前電腦,所以更加環保。
研究人員採用了一種名為「現場可編程門陣列」(以下簡稱「FPGA」)的晶元,使得微晶片就像都含有數百萬個晶體管一樣,而晶體管則是任何電路的基本組成部分。不過,FPGA晶元可由用戶安裝到特定電路,它們的功能不是在出廠時就設定好的。這樣一來,用戶可以將晶體管劃分成一個個「小群體」,要求每個「小群體」完成不同的任務。
通過在FPGA晶元內創建逾1000個微電路,研究人員便將這個晶元變成了1000個內核的處理器——每個內核都可以遵照自己的指令工作。這項研究由英國格拉斯哥大學的韋姆·范德堡韋德(Wim Vanderbauwhede)博士和美國馬薩諸塞大學盧維爾分校的同行共同實施。
范德堡韋德說:「FPGA晶元沒有應用於標準電腦上,原因是對FPGA晶元編程相當困難。FPGA晶元的處理能力強大,由於速度更快,能耗相當低,是我們更為環保的選擇。」雖然當前市場上銷售的電腦大多數內核超過一個,可以同時實施不同任務,但傳統多核處理器只能共用一個存儲源,這降低了運算速度。范德堡韋德的研究團隊給每個內核分配一定量的專用存儲空間,從而加快了處理器的運算速度。
一名用戶坐在運算速度很慢的台式機前面,看上去一籌莫展。在測試中,FPGA晶元每秒能處理5GB的數據,處理速度大概相當於當前台式機的20倍。
范德堡韋德博士說:「這只是初期概念驗證研究,我們試圖展示對FPGA編程的便捷方式,令其超高速處理的潛力可以更為廣泛地應用於未來的運算器和電子設備上。雖然現有許多技術充分使用FPGA晶元,如等離子電視、液晶電視和電腦網路路由器,但它們在標準台式機上的應用卻十分有限。」
「但是,我們看到,包括英特爾和ARM在內的一些廠商已經宣布將開發集成傳統CPU與FPGA晶元的微晶片。我認為此類處理器會得到更廣泛的應用,有助於在今後幾年進一步提升電腦運算速度。」范德堡韋德希望在2011年3月應用重構運算國際研討會上詳細介紹他的研究發現。

10市場發展

事實上90年代後期FPGA市場就已經過一番激烈整合,許多業者不是退出PLD(可程序化邏輯裝置)市場,就是出售其PLD業務部門,或將PLD業務部門分立成獨立公司,或進行購併等。
時至今日,FPGA市場的主要業者僅剩數家,包括Altera、Xilinx(賽靈思,過去稱為:智霖科技)、Actel、Atmel、Lattice、QuickLogic等,不過2007年11月QuickLogic也確定淡出FPGA市場,並轉進發展CSSP(CustomerSpecificStandardProduct)。
但FPGA領域依然有新興業者出現,例如AchronixSemiconductor、MathStar等。且除了單純數字邏輯性質的可程序邏輯裝置外,混訊、模擬性質的可程序邏輯裝置也展露頭角,例如CypressSemiconductor的PSoC(ProgrammableSystem-on-Chip)即具有可組態性的混訊電路,或如Actel公司也提出可程序化的混訊晶元:Fusion,或者也有業者提出所謂的現場可程序化模擬數組(FieldProgrammableAnalogArray;FPAA)等,相信這些都能為可程序化晶元帶來更多的發展動能。
FPGA(現場可編程邏輯器件)產品的應用領域已經從原來的通信擴展到消費電子、汽車電子、工業控制、測試測量等廣泛的領域。而應用的變化也使FPGA產品近幾年的演進趨勢越來越明顯:一方面,FPGA供應商致力於採用當前最先進的工藝來提升產品的性能,降低產品的成本;另一方面,越來越多的通用IP(知識產權)或客戶定製IP被引入FPGA中,以滿足客戶產品快速上市的要求。此外,FPGA企業都在大力降低產品的功耗,滿足業界越來越苛刻的低功耗需求。
第一時間採用新工藝提升性能降低成本
半導體產品的集成度和成本一直在按照摩爾定律演進。在這方面,作為半導體產品的重要一支———可編程邏輯器件也不例外。「最先進的半導體工藝幾乎都會在第一時間被應用在FPGA產品上。」駿龍科技公司Altera產品事業部經理胡晟說,「而每一次工藝升級帶來的優勢,都會在產品的功耗、最高運行頻率、容量以及成本上得到體現。」
引入更多通用和定製IP向解決方案供應商轉變
FPGA的應用已經從過去通信基礎設備這一非常窄的領域迅速擴展到了今天非常廣泛的應用領域。
採用各種技術路線爭做低功耗之王
電池供電應用的迅猛增長刺激了全球市場對低功耗半導體的需求。今天,系統設計人員面對更加嚴格的系統總體功耗限制。與此同時,這類應用所要求的功能、性能和複雜度也在增加,但卻不能以增加電池為代價。為此,原來在功耗指標上並不佔優的FPGA產品開始採用各種新技術來降低和優化功耗。
FPGA
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