FPGA技術(shù)的發(fā)展歷史和動向

1.2 FPGA的典型應(yīng)用領(lǐng)域

1.2.1 數(shù)據(jù)采集和接口邏輯領(lǐng)域

1.FPGA在數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的應(yīng)用

由于自然界的信號大部分是模擬信號，因此一般的信號處理系統(tǒng)中都要包括數(shù)據(jù)的采集功能。通常的實現(xiàn)方法是利用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，送給處理器，比如利用單片機(jī)(MCU)或者數(shù)字信號處理器(DSP)進(jìn)行運算和處理。

對于低速的A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，可以采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI接口來與MCU或者DSP通信。但是，高速的A/D和D/A轉(zhuǎn)換芯片，比如視頻Decoder或者Encoder，不能與通用的MCU或者DSP直接接口。在這種場合下，FPGA可以完成數(shù)據(jù)采集的粘合邏輯功能。

2.FPGA在邏輯接口領(lǐng)域的應(yīng)用

在實際的產(chǎn)品設(shè)計中，很多情況下需要與PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。比如，將采集到的數(shù)據(jù)送給PC機(jī)處理，或者將處理后的結(jié)果傳給PC機(jī)進(jìn)行顯示等。PC機(jī)與外部系統(tǒng)通信的接口比較豐富，如ISA、PCI、PCI Express、PS/2、USB等。

傳統(tǒng)的設(shè)計中往往需要專用的接口芯片，比如PCI接口芯片。如果需要的接口比較多，就需要較多的外圍芯片，體積、功耗都比較大。采用FPGA的方案后，接口邏輯都可以在FPGA內(nèi)部來實現(xiàn)了，大大簡化了外圍電路的設(shè)計。

在現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計中，存儲器得到了廣泛的應(yīng)用，例如SDRAM、SRAM、Flash等。這些存儲器都有各自的特點和用途，合理地選擇儲存器類型可以實現(xiàn)產(chǎn)品的最佳性價比。由于FPGA的功能可以完全自己設(shè)計，因此可以實現(xiàn)各種存儲接口的控制器。

3.FPGA在電平接口領(lǐng)域的應(yīng)用

除了TTL、COMS接口電平之外，LVDS、HSTL、GTL/GTL+、SSTL等新的電平標(biāo)準(zhǔn)逐漸被很多電子產(chǎn)品采用。比如，液晶屏驅(qū)動接口一般都是LVDS接口，數(shù)字I/O一般是LVTTL電平，DDR SDRAM電平一般是HSTL的。

在這樣的混合電平環(huán)境里面，如果用傳統(tǒng)的電平轉(zhuǎn)換器件實現(xiàn)接口會導(dǎo)致電路復(fù)雜性提高。利用FPGA支持多電平共存的特性，可以大大簡化設(shè)計方案，降低設(shè)計風(fēng)險。

1.2.2 高性能數(shù)字信號處理領(lǐng)域

無線通信、軟件無線電、高清影像編輯和處理等領(lǐng)域，對信號處理所需要的計算量提出了極高的要求。傳統(tǒng)的解決方案一般是采用多片DSP并聯(lián)構(gòu)成多處理器系統(tǒng)來滿足需求。

但是多處理器系統(tǒng)帶來的主要問題是設(shè)計復(fù)雜度和系統(tǒng)功耗都大幅度提升，系統(tǒng)穩(wěn)定性受到影響。FPGA支持并行計算，而且密度和性能都在不斷提高，已經(jīng)可以在很多領(lǐng)域替代傳統(tǒng)的多DSP解決方案。

例如，實現(xiàn)高清視頻編碼算法H.264。采用TI公司1GHz主頻的DSP芯片需要4顆芯片，而采用Altera的StratixII EP2S130芯片只需要一顆就可以完成相同的任務(wù)。FPGA的實現(xiàn)流程和ASIC芯片的前端設(shè)計相似，有利于導(dǎo)入芯片的后端設(shè)計。

1.2.3 其他應(yīng)用領(lǐng)域

除了上面一些應(yīng)用領(lǐng)域外，F(xiàn)PGA在其他領(lǐng)域同樣具有廣泛的應(yīng)用。

(1)汽車電子領(lǐng)域，如網(wǎng)關(guān)控制器/車用PC機(jī)、遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)。

(2)軍事領(lǐng)域，如安全通信、雷達(dá)和聲納、電子戰(zhàn)。

(3)測試和測量領(lǐng)域，如通信測試和監(jiān)測、半導(dǎo)體自動測試設(shè)備、通用儀表。

(4)消費產(chǎn)品領(lǐng)域，如顯示器、投影儀、數(shù)字電視和機(jī)頂盒、家庭網(wǎng)絡(luò)。

(5)醫(yī)療領(lǐng)域，如軟件無線電、電療、生命科學(xué)。

1.3 FPGA的工藝結(jié)構(gòu)

隨著FPGA的生產(chǎn)工藝不斷提高，各種新技術(shù)被廣泛應(yīng)用到FPGA芯片的設(shè)計生產(chǎn)的各個環(huán)境。其中，生產(chǎn)工藝結(jié)構(gòu)決定了FPGA芯片的特性和應(yīng)用場合。

如圖1.2所示是FPGA的主要幾種生產(chǎn)工藝及典型產(chǎn)品。

圖1.2 FPGA生產(chǎn)工藝及典型產(chǎn)品

1.3.1 基于SRAM結(jié)構(gòu)的FPGA

目前最大的兩個FPGA廠家Xilinx和Altera的所有FPGA產(chǎn)品都是基于SRAM工藝來實現(xiàn)的。這種工藝的優(yōu)點是可以用較低的成本來實現(xiàn)較高的密度和較高的性能;缺點是掉電后SRAM會失去所有配置，導(dǎo)致每次上電都需要重新加載。

重新加載需要外部的器件來實現(xiàn)，不僅增加了整個系統(tǒng)的成本，而且引入了不穩(wěn)定的因素。加載的過程容易受到外界干擾而導(dǎo)致加載失敗，也容易受到“監(jiān)聽”而破解加載文件的比特流。

雖然基于SRAM結(jié)構(gòu)的FPGA存在這些缺點，但是由于其實現(xiàn)成本低，還是得到了廣泛的應(yīng)用，特別是民用產(chǎn)品方面。

1.3.2 基于反融絲結(jié)構(gòu)的FPGA

Actel公司擅長出品反融絲結(jié)構(gòu)的FPGA。這種結(jié)構(gòu)的FPGA只能編程一次，編程后和ASIC一樣成為了固定邏輯器件。Quick Logic公司也有類似的FPGA器件，主要面向軍品級應(yīng)用市場。

這樣的FPGA失去了反復(fù)可編程的靈活性，但是大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。這種結(jié)構(gòu)的FPGA比較適合應(yīng)用在環(huán)境苛刻的場合，比如高振動，強(qiáng)電磁輻射等航空航天領(lǐng)域。同時，系統(tǒng)的保密性也得到了提高。

這類FPGA因為上電后不需要從外部加載配置，所以上電后可以很快進(jìn)入工作狀態(tài)，即 “瞬間上電”技術(shù)。這個特性可以滿足一些對上電時間要求苛刻的系統(tǒng)。由于是固定邏輯，這種器件的功耗和體積也要低于SRAM結(jié)構(gòu)的FPGA。

1.3.3 基于Flash結(jié)構(gòu)的FPGA

Flash具備了反復(fù)擦寫和掉電后內(nèi)容非易失特性，因而基于Flash結(jié)構(gòu)的FPGA同時具備了SRAM結(jié)構(gòu)的靈活性和反融絲結(jié)構(gòu)的可靠性。這種技術(shù)是最近幾年發(fā)展起來的新型FPGA實現(xiàn)工藝，目前實現(xiàn)的成本還偏高，沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用。

系統(tǒng)安全的角度來看，基于Flash的FPGA具有更高的安全性，硬件出錯的幾率更小，并能夠通過公共網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)安全性遠(yuǎn)程升級，經(jīng)過現(xiàn)場處理即可實現(xiàn)產(chǎn)品的升級換代。這種性能減少了現(xiàn)場解決問題所需的昂貴開銷。

在Flash器件中集成小型的NVM(Non Volatile Memory，非易失性存儲器)模塊可以在某些消費電子和汽車電子應(yīng)用中實現(xiàn)授權(quán)技術(shù)。這種NVM可以存儲安全通信所需的密鑰，或者針對基于廣播的系統(tǒng)實現(xiàn)機(jī)頂盒設(shè)備的串行化。

可重編程的NVM在編程時需要一定的電壓，因此SRAM用戶必須從外部提供這種電壓?；贔lash的FPGA采用內(nèi)部電荷泵進(jìn)行編程，不需要集成NVM模塊，而基于SRAM的FPGA通常缺乏這種功能。

Flash器件的工作頻率可達(dá)350MHz，利用率超過95%，而SRAM FPGA一般能夠達(dá)到的利用率僅為70～75%。Flash FPGA在加電時沒有像SRAM FPGA那樣大的瞬間高峰電流，并且SRAM FPGA通常具有較高的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗。

例如，一塊40萬門的基于Flash的FPGA需要20mA的靜態(tài)電流，然而同等規(guī)模的基于SRAM的FPGA所需的電流達(dá)100mA。SRAM FPGA的功耗問題往往迫使系統(tǒng)設(shè)計者不得不增大系統(tǒng)供電電流，并使得整個設(shè)計變得更加復(fù)雜。