FPGA新手入門

FPGA簡介

 
   FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在可編程陣列邏輯PAL(Programmable Array Logic)、門陣列邏輯GAL(Gate Array Logic)、可編程邏輯器件PLD(Programmable Logic Device)等可編程器件的基礎(chǔ)什么是FPGA上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。

   它是作為專用集成電路ASIC（Application Specific Integrated Circuit）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。FPGA能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能CPU,下至簡單的74系列電路，都可以用FPGA來實(shí)現(xiàn)。FPGA如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖什么是輸入法，或是硬件描述語言自由設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真，我們可以事先驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。在PCB完成以后，還可以利用FPGA的在線修改能力，隨時(shí)修改設(shè)計(jì)而不必改動(dòng)硬件電路。使用FPGA來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，減少PCB面積，提高系統(tǒng)的可靠性。PLD的這些優(yōu)點(diǎn)使得PLD技術(shù)在90年代以后得到飛速的發(fā)展，同時(shí)也大大推動(dòng)了電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化EDA（Electronic Design Automatic）軟件和硬件描述語言VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description)的進(jìn)步。

FPGA的特點(diǎn) 

   FPGA具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬FPGA等特點(diǎn)。兼容了PLD和通用門陣列的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程也很靈活。與門陣列等其它ASIC相比，它又具有設(shè)計(jì)開發(fā)什么是周期短、設(shè)計(jì)制造成本低、開發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測試、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實(shí)時(shí)在線檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計(jì)和產(chǎn)品生產(chǎn)(一般在10,000件以下)之中。幾乎所有應(yīng)用門陣列、PLD和中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場合均可應(yīng)用FPGA 
FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)新概念，內(nèi)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(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。FPGA的基本特點(diǎn)主要有：
 一是采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。 
 二是FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。 
 三是FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I／O引腳。 
 四是FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。 
 五是FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。

   可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。目前FPGA的品種很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時(shí)，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。FPGA有多種配置模式：并行主模式為一片F(xiàn)PGA加一片EPROM的方式；主從模式可以支持一片PROM編程多片F(xiàn)PGA；串行模式可以采用串行PROM編程FPGA；外設(shè)模式可以將FPGA作為微處理器的外設(shè)，由微處理器對(duì)其編程。

 
FPGA與ASIC、CPLD

 1、FPGA和ASIC的比較

   ASIC是英文的Application Specific Integrated Circuits縮寫，即專用集成電路，是指應(yīng)特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計(jì)、制造的集成電路。目前用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）和FPGA（現(xiàn)場可編程邏輯陣列）來進(jìn)行ASIC設(shè)計(jì)是最為流行的方式之一，它們的共性是都具有用戶現(xiàn)場可編程特性，都支持邊界掃描技術(shù)，但兩者在集成度、速度以及編程方式上具有各自的特點(diǎn)。ASIC的特點(diǎn)是面向特定用戶的需求，品種多、批量少，要求設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期短，它作為集成電路技術(shù)與特定用戶的整機(jī)或系統(tǒng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，與通用集成電路相比具有體積更小、重量更輕、功耗更低、可*性提高、性能提高、保密性增強(qiáng)、成本降低等優(yōu)點(diǎn)。
FPGA特別適合于樣品研制或小批量產(chǎn)品開發(fā)，使產(chǎn)品能以最快的速度上市，而當(dāng)市場擴(kuò)大時(shí)，它可以很容易的由ASIC實(shí)現(xiàn)，因此開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)也大為降低。但ASIC也有它固有的優(yōu)勢，芯片可以獲得最優(yōu)的性能，即面積利用率高、速度快、功耗低，批量成本低，所以在今后一段時(shí)間內(nèi)ASIC仍然會(huì)占據(jù)高端芯片市場和大批量應(yīng)用的成熟中低端市場。

2、FPGA與CPLD的比較

   盡管ＦＰＧＡ和ＣＰＬＤ都是可編程ＡＳＩＣ器件,有很多共同特點(diǎn),但由于ＣＰＬＤ和ＦＰＧＡ結(jié)構(gòu)上的差異,具有各自的特點(diǎn)：
一是ＣＰＬＤ更適合完成各種算法和組合邏輯,ＦＰＧＡ更適合于完成時(shí)序FPGA邏輯。換句話說,ＦＰＧＡ更適合于觸發(fā)器豐富的結(jié)構(gòu),而ＣＰＬＤ更適合于觸發(fā)器有限而乘積項(xiàng)豐富的結(jié)構(gòu)。
二是ＣＰＬＤ的連續(xù)式布線結(jié)構(gòu)決定了它的時(shí)序延遲是均勻的和可預(yù)測的,而ＦＰＧＡ的分段式布線結(jié)構(gòu)決定了其延遲的不可預(yù)測性。
三是在編程上ＦＰＧＡ比ＣＰＬＤ具有更大的靈活性。ＣＰＬＤ通過修改具有固定內(nèi)連電路的邏輯功能來編程,ＦＰＧＡ主要通過改變內(nèi)部連線的布線來編程;ＦＰＧＡ可在邏輯門下編程,而ＣＰＬＤ是在邏輯塊下編程。
四是ＦＰＧＡ的集成度比ＣＰＬＤ高,具有更復(fù)雜的布線結(jié)構(gòu)和邏輯實(shí)現(xiàn)。
五是ＣＰＬＤ比ＦＰＧＡ使用起來更方便。ＣＰＬＤ的編程采用Ｅ2ＰＲＯＭ或ＦＡＳＴＦＬＡＳＨ技術(shù),無需外部存儲(chǔ)器芯片,使用簡單。而ＦＰＧＡ的編程信息需存放在外部存儲(chǔ)器上,使用方法復(fù)雜。
六是ＰＬＤ的速度比ＦＰＧＡ快,并且具有較大的時(shí)間可預(yù)測性。這是由于ＦＰＧＡ是門級(jí)編程,并且ＣＬＢ之間采用分布式互聯(lián),而ＣＰＬＤ是邏輯塊級(jí)編程,并且其邏輯塊之間的互聯(lián)是集總式的。
七是在編程方式上,ＣＰＬＤ主要是基于Ｅ2ＰＲＯＭ或ＦＬＡＳＨ存儲(chǔ)器編程,編程次數(shù)可達(dá)1萬次,優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)斷電時(shí)編程信息也不丟失。ＣＰＬＤ又可分為在編程器上編程和在系統(tǒng)編程兩類。ＦＰＧＡ大部分是基于ＳＲＡＭ編程,編程信息在系統(tǒng)斷電時(shí)丟失,每次上電時(shí),需從器件外部將編程數(shù)據(jù)重新寫入ＳＲＡＭ中。其優(yōu)點(diǎn)是可以編程任意次,可在工作中快速編程,從而實(shí)現(xiàn)板級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的動(dòng)態(tài)配置。
八是ＣＰＬＤ保密性好,ＦＰＧＡ保密性差。
九是一般情況下,ＣＰＬＤ的功耗要比ＦＰＧＡ大,且集成度越高越明顯。