FPGA技術(shù)調(diào)研報告

　A FPGA 技術(shù)調(diào)研報告

　——認(rèn)識比較全方位的 FPGA

　 目錄

　第一章：概述

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　第一節(jié) FPGA 的發(fā)展概述 ···············································1

　第二節(jié) FPGA 的結(jié)構(gòu)概述 ···············································1

　第二章：A FPGA 與各國 發(fā)展

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　第一節(jié) FPGA 與國外發(fā)展 ···············································2

　第二節(jié) FPGA 與中國發(fā)展 ···············································2

　第三章：A FPGA 與生產(chǎn)廠家

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　第一節(jié) FPGA 與 Xilinx ···············································3

　第二節(jié) FPGA 與 Altera ···············································5

　第四章：A FPGA 與 開發(fā)語言

　···············································6

　 第一節(jié) FPGA 與 Verilog ···············································6

　第二節(jié) FPGA 與 VHDL ···················································6

　總結(jié)

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　參考文獻(xiàn)

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　第一章：概述

　第一節(jié) FPGA 的發(fā)展概述

　 現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA（Field Programmable Gate Array）是 20 世紀(jì) 80年代中期又沒過 Xilinx 公司首先推出來的。隨著半導(dǎo)體加工工藝的不斷發(fā)展，F(xiàn)PGA 在結(jié)構(gòu)、速度、工藝、集成度和性能等方面都有了極大的改進(jìn)和提高，與之相對應(yīng)的設(shè)計方法學(xué)和自動化設(shè)計工具也得到迅速發(fā)展。

　簡單的講，現(xiàn)場可編程門陣列 FPGA 是一種可以變成的數(shù)字集成電路 IC（Integrated Circuit），它包含了可配置的邏輯塊一劫邏輯塊之間的互連線。所謂的現(xiàn)場可編程是指設(shè)計人員可以通過在工作現(xiàn)場完成對這些邏輯塊和連線的配置，以實現(xiàn)或改變復(fù)雜的電子系統(tǒng)的功能。為了對 FPGA 有一個較全面的認(rèn)識，我們簡要回顧一下 FPGA 發(fā)展相關(guān)的技術(shù)如圖 1 所示，圖紙的白色區(qū)域表示以開始研究該技術(shù)的時間，但是由于種種原因沒有得到很好的推廣。

　圖 1 FPGA 技術(shù)發(fā)展過程

　第二節(jié) FPGA 的結(jié)構(gòu)概述 每一個 FPGA 生產(chǎn)廠斗毆自己的 FPGA 體系結(jié)構(gòu)，但是所有廠家的 FPGA 機(jī)構(gòu)中都包含了如圖 2 所示的三個基本塊，即可配置的邏輯塊 CLB、可配置的 I/O 模塊和可編程互連資源。另外，在 FPGA 中有一個時鐘電路用于驅(qū)動時鐘信號到每個 CLB 中的觸發(fā)器，還有一些其他邏輯資源如存儲器、譯碼器等。隨著 FPGA 的發(fā)展，各個廠家所提供的資源越來越豐富，如數(shù)字信號處理器 DSP、鎖相環(huán) PLL等。

　 圖 2 FPGA 的結(jié)構(gòu)

　 第二章：A FPGA 與各國發(fā)展

　第一節(jié) FPGA 與國外發(fā)展

　國外的 FPGA 的設(shè)計技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展和加工工藝已經(jīng)成熟，產(chǎn)品門類齊全，可以提供上百個系列品種，芯片集成度已達(dá)到上百萬門，并廣泛應(yīng)用于通信、航天、航空、導(dǎo)航、遙感、遙測、程控交換機(jī)等軍、民用領(lǐng)域。目前，國內(nèi)外可編程邏輯器件被美國幾家著名大公司所壟斷。其技術(shù)經(jīng)過近二十年的經(jīng)驗積累，技術(shù)力量十分雄厚。器件尺寸達(dá)到 65nm，規(guī)模達(dá)到千萬門級。各公司在宇航和軍用電子元器件的發(fā)展十分迅速。世界排名前四的可編程器件供應(yīng)商分別為 Xilinx、Altera、Actel、Lattice，這幾家可編程設(shè)計公司是全球領(lǐng)先的可編程邏輯完整解決方案的供應(yīng)商。

　具體 Xilinx、Altera 生產(chǎn)廠家情況會在第三章介紹。

　 第二節(jié) FPGA 與國內(nèi)發(fā)展

　由于中國集成電路產(chǎn)業(yè)受到產(chǎn)業(yè)高速增長與核心技術(shù)長期受制國外技術(shù)壁壘的雙重影響，出現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)規(guī)模盲目擴(kuò)大與產(chǎn)品效益低下并存，外資大量進(jìn)入與

　本土大企業(yè)缺失并存的尷尬局面。由于外資的巨大貢獻(xiàn)，中國的整機(jī)制造產(chǎn)業(yè)，括計算機(jī)、通信設(shè)備制造和視聽產(chǎn)業(yè)，仍具有較強(qiáng)的國際競爭力，而本土的元器件研發(fā)產(chǎn)業(yè)在全球所占的份額則十分有限。這一格局在客觀上反映了國內(nèi)的企業(yè)與科研院所尚不具備與跨國公司開展全面競爭，中國電子信息產(chǎn)業(yè)仍處于加工組裝階段的現(xiàn)實。因此，從某種意義上來講，中國電子產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)研發(fā)能力大而不強(qiáng)。

　基于以上原因，國內(nèi)在可編程邏輯器件領(lǐng)域尚處于起步階段，研究大多集中于電路綜合和布局布線算法理論。對于實際的 FPGA 芯片設(shè)計，尤其是商業(yè)化FPGA 芯片中邏輯電路的正向前端設(shè)計與研究尚未有成功先例。

　目前國內(nèi)系統(tǒng)整機(jī)使用的 FPGA 器件全部依靠進(jìn)口，被國外公司壟斷，且進(jìn)貨渠道狹窄，產(chǎn)品價格昂貴。國內(nèi)在可編程邏輯器件領(lǐng)域還處于起步階段，國內(nèi)多家研制單位作了大量基礎(chǔ)性的工作，并取得了階段性的科研成果，為軍用可編程邏輯器件的發(fā)展奠定了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)，下面將展開介紹。

　1）華微電子系統(tǒng)有限公司 華微電子成立之初就確立公司發(fā)展的專業(yè)方向——可編程邏輯器件，多年來進(jìn)行了系統(tǒng)的、深入的、專業(yè)化的研究，并在技術(shù)上取得了重大突破。兼容 XilinxXC9500 系列的復(fù)雜可編程邏輯器件“HWD14XX 系列 CPLD”通過了設(shè)計定型，技術(shù)國內(nèi)領(lǐng)先、填補(bǔ)空白。掌握了可編程邏輯器件的設(shè)計方法和總結(jié)出可編程邏輯器件的一套完整設(shè)計流程，掌握復(fù)雜可編程邏輯器件內(nèi)嵌 FLASH 陣列的設(shè)計方法。

　華微公司基于 EEPROM 工藝、EPROM 工藝的 GAL20V8、GAL22V10、EP220 等低密度可編程邏輯器件研發(fā)完成。華微公司 “可編程邏輯電路核開發(fā)”得到 863 國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃的支持，并順利通過驗收。華微公司百萬門級 FPGA 芯片設(shè)計方法與研究取得階段性成果。華微公司具備自主燒錄器、編程器、配套軟件及應(yīng)用開發(fā)系統(tǒng)級平臺。

　以上基礎(chǔ)研究和型譜研發(fā)工作的開展，為百萬門級 FPGA 的預(yù)先研究打下了堅實的基礎(chǔ)。

　2）復(fù)旦微電子公司 復(fù)旦微電子采用 0.35um 工藝，研發(fā) 10 萬門規(guī)模器件及軟件系統(tǒng)原型；取得多項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的研究成果；取得 863 國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃的支持。

　3）西安電子科技大學(xué)微電子研究所。

　西安電子科技大學(xué)微電子研究所基于 Xilinx 4000 的架構(gòu)設(shè)計了一款可用系統(tǒng)門為 3 萬門的 FPGA 芯片，并在布線算法方面取得了一定的研究成果。另外，國內(nèi)其他研究院所也作了大量的基礎(chǔ)工作。但是到目前為止，國內(nèi)的 FPGA 芯片設(shè)計仍然主要集中在 3 萬—10 萬系統(tǒng)可用門數(shù)的學(xué)術(shù)性芯片研究設(shè)計方面，尚無能夠真正符合工業(yè)、商業(yè)應(yīng)用需求的成熟產(chǎn)品出現(xiàn)，尤其是沒有能形成系列產(chǎn)品開發(fā)的 IP 核實現(xiàn)的芯片出現(xiàn)。

　 第三章：A FPGA 與生產(chǎn)廠家

　第一節(jié) FPGA 與 Xilinx

　 Xilinx 公司成立于 1984 年，Xilinx 首創(chuàng)了現(xiàn)場可編程邏輯陣列（FPGA）這一創(chuàng)新性的技術(shù)，并于 1985 年首次推出商業(yè)化產(chǎn)品。目前 Xilinx 滿足了全世界對 FPGA 產(chǎn)品一半以上的需求。Xilinx 公司的 FPGA 器件具有十分突出的特色：基于 SRAM 架構(gòu)，可“無限次”編程；LUT 可配置為分布式 RAM；塊 RAM 可配置為多種模式；全數(shù)字式的時鐘管理系統(tǒng)，可提供靈活精確的時鐘信號；Versa-Ring 提供了 IOB 與 CLB 的連接，可以更便利的實現(xiàn) PIN 鎖定；高端產(chǎn)品如 VIRTEX-II Pro、VIRTEX-II Pro X 嵌入了微處理器和專用乘法器，VIRTEX4 FX 嵌入了處理器，提供系統(tǒng)的解決方案，功能更加強(qiáng)大等。

　Xilinx 于 2006 年又推出了其最新系列的產(chǎn)品 VIRTEX -5 系列，該系列提供 FPGA 市場中最新最強(qiáng)大的功能。VIRTEX-5 系列采用第二代 ASMBL （高級硅片組合模塊）列式架構(gòu)，包含四種截然不同的平臺（子系列），比此前任何 FPGA系列提供的選擇范圍都大。每種平臺都包含不同的功能配比，以滿足諸多高級邏輯設(shè)計的需求。該系列主要由 LX、LXT、SXT 和 FXT 四個平臺構(gòu)成，其中VIRTEX-5 LX 是針對高性能通用邏輯應(yīng)用，VIRTEX-5 LXT 是針對具有高級串行連接功能的高性能邏輯，VIRTEX-5 SXT 是針對高性能信號處理應(yīng)用，VIRTEX-5FXT 是針對高性能嵌入式系統(tǒng)。

　Xilinx 公司典型代表產(chǎn)品是 Virtex 系列架構(gòu)的 FPGA，其結(jié)構(gòu)中嵌入了具有特定功能的功能單元，如塊 RAM、時鐘鎖相環(huán)、乘法器甚至微處理器等功能單元，以滿足功能更復(fù)雜更強(qiáng)大的設(shè)計需求。

　Xilinx 公司 FPGA 是基于查找表 LUT 結(jié)構(gòu)的，可配置邏輯塊 CLB 中還包含了功能強(qiáng)大的組合和時序邏輯，能根據(jù)不同的應(yīng)用需要實現(xiàn)多種組合與時序邏輯功能。每個 CLB 包括 2 個重復(fù)的邏輯單元，邏輯單元結(jié)構(gòu)在下述章節(jié)會有詳細(xì)介紹。每個邏輯單元由 2 個 4 輸入的 LUT，來完成基本的邏輯功能，以及作為分布式 RAM，實現(xiàn)小規(guī)模的存儲，2 個可配置的觸發(fā)器來完成相關(guān)的時序電路。另外，電路還附加了一些特殊的資源，如進(jìn)位鏈，用來實現(xiàn)高速的運算功能。

　除了最先進(jìn)的高性能邏輯架構(gòu)，VIRTEX-5 FPGA 還包含多種硬 IP 系統(tǒng)級模塊，包括強(qiáng)大的 36Kb Block RAM/FIFO、第二代 25 x 18 DSP Slice、帶有內(nèi)置數(shù)控阻抗的 SelectIO 技術(shù)、ChipSync 源同步接口模塊、系統(tǒng)監(jiān)視器功能、帶有集成 DCM（數(shù)字時鐘管理器）和鎖相環(huán)（PLL）時鐘發(fā)生器的增強(qiáng)型時鐘管理模塊以及高級配置選項。LXT 和 SXT 器件還包含針對增強(qiáng)型串行連接的電源優(yōu)化高速串行收發(fā)器模塊、一個符合 PCI Express

　的集成端點模塊和三態(tài)以太網(wǎng)MAC（媒體訪問控制器）。這些功能使高級邏輯設(shè)計人員能夠在其基于 FPGA 的系統(tǒng)中體現(xiàn)最高檔次的性能和功能。

　VIRTEX-5 FPGA 以最先進(jìn)的 65nm，12 層金屬的銅工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，芯片內(nèi)核電壓為 1V，是定制 ASIC 技術(shù)的可編程替代方案。大多數(shù)高級系統(tǒng)設(shè)計都需要 FPGA 的可編程能力。VIRTEX-5 FPGA 以前所未有的邏輯、DSP、軟/ 硬微處理器和連接功能提供最佳解決方案，以滿足高性能邏輯設(shè)計人員、高性能 DSP 設(shè)計人員和高性能嵌入式系統(tǒng)設(shè)計人員 的需求。VIRTEX-5 LXT、SXT 和 FXT 平臺具有先進(jìn)的高速串行連接功能和鏈路/事務(wù)層功能。強(qiáng)大的時鐘管理模塊(CMT)時鐘控制，具有零延遲緩沖、頻率綜合和時鐘相移功能的數(shù)字時鐘管理器模塊，具有輸入抖動濾波、零延遲緩沖、頻率綜合和相位匹配時鐘分頻功能的 PLL 模塊。

　在該產(chǎn)品系列中，只有 LX 平臺沒有 Rocket I/O GTP 收發(fā)器、PIC－E 端

　點模塊和以太網(wǎng) MAC 模塊。芯片內(nèi)部最高工作頻率可達(dá)到 550M。

　第二節(jié) FPGA 與 Altera

　ALTERA 公司于 1983 年 6 月在美國 SAN JOSE 創(chuàng)立，也是一家提供可編程邏輯器件的專業(yè)設(shè)計公司。ALTERA 是復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）的發(fā)明者，該公司于 1988 年在 NASDAQ 掛牌（ALTR），進(jìn)入 90 年代以后，ALTERA 更成為發(fā)展最快的可編程邏輯器件廠商之一。

　ALTERA 公司的 FPGA 器件有 FLEX、CYCLONE、STRATIX 三個系列。

　ALTERA 公司器件系列豐富，產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣。除了早期型號 FLEX 系列沒有內(nèi)嵌存儲器之外，后來的系列都內(nèi)嵌了存儲邏輯塊，部分高端產(chǎn)品還嵌入 DSP 或者 ARM 微處理器。集成度、性價比都較高，其中以 CYCLONE 系列最突出。目前 FLEX8000 已停產(chǎn)，F(xiàn)LEX6000 和 FLEX10K 已經(jīng)較少使用，基本被 ACEX1K 和CYCLONE 取代，目前 ACEX、APEX、CYCLONE 和 STRATIX 系列為該公司的 主流產(chǎn)品。

　ALTERA 公司的典型產(chǎn)品 FLEX8000 系列架構(gòu) FPGA 有三層結(jié)構(gòu)，F(xiàn)LEX8000器件的架構(gòu)見圖 3。其最底層也是基于查找表結(jié)構(gòu)的。應(yīng)該注意到的是 FLEX8000系列是 FPGA 和 CPLD 技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)品。FLEX8000 系列是基于 SRAM 和以四端輸入 LUT 作為它的基本邏輯模塊為特色的器件，該系列 FPGA 的邏輯容量范圍從大約 4000 門到超過 15000 門�；�本邏輯模塊又稱為邏輯單元（IE）包括有一個四端輸入的 LUT、一個觸發(fā)器和對算法運算電路有特殊用途的進(jìn)位電路（相似于 Xilinx XC4000）。

　圖 3 Altera FLEX8000 FPGA 架構(gòu)

　第四章：A FPGA 與 開發(fā)語言

　第一節(jié) FPGA 與 Verilog

　對于 FPGA 開發(fā)而言，比較流行的 HDL 主要有 Verilog HDL、VHDL、ABEL—HDL和 AHDL 等。其中 VHDL 和 Verilog HDL 因適合標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展方向而最終成為 IEEE標(biāo)準(zhǔn)。與 VHDL 相比 Verilog HDL 有個最大的優(yōu)點是：它是一種非容易掌握的硬件描述語言。只要有 C 語言的編程基礎(chǔ)，一般經(jīng)過 2 到 3 個月的認(rèn)真學(xué)習(xí)和實際操作就能掌握這種設(shè)計技。并且完成同一功能它的程序條數(shù)一般僅為 VHDL 的 1/3。

　Verilog 并不是 FPGA 專用的設(shè)計語言，有些東西在 FPGA 中并等不到應(yīng)用，也就是說 FPGA 應(yīng)用的 Verilog 實際是 Verilog 語法的一個子集。

　第二節(jié) FPGA 與 VHDL

　VHDL 是 Very high speed integrated circuit Hardware Description Language 的縮寫，即超高速集成電路的硬件描述語言。由于半導(dǎo)體編程技術(shù)的快速進(jìn)步 4 VHDL 所能提供高階電路描述語言的表達(dá)式讓復(fù)雜的電路可以通過VHDL 編輯器的電路方式，輕易而且快速地達(dá)到設(shè)計的規(guī)格，VHDL 電路描述語言所能涵蓋的范圍相當(dāng)廣，能適用于各種不同階層的設(shè)計工程師的需求，從 ASIC的設(shè)計到 PCB 系統(tǒng)的設(shè)計，VHDL 電路描述語言都能派上用場， 所以 VHDL 電路設(shè)計毫無疑問地成為硬件設(shè)計工程師的必備工具。目前，VHDL 語言也已成為 FPGA編程最常用的工具，而 VHDL 作為硬件電路描述語言，與一般的軟件語言有很大的不同，它代表的是門陣列的動作狀態(tài)，所以在編寫 VHDL 程序時，不但有它本身的語法，而且最為重要的是邏輯電路動作的精確問題。這也是硬件設(shè)計工程師最為頭疼的問題，因為邏輯電路的誤動作很可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓！

　 總結(jié)

　 FPGA 技術(shù)的創(chuàng)立和發(fā)展經(jīng)過了一個長期的過程，是在之前 ASIC 技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，最早是由 Xilinx 公司首先提出來。其結(jié)構(gòu)包括主要的可配置的邏輯塊 CLB、可配置的 I/O 模塊和可編程互連資源，另外還有其他一些擴(kuò)展部分。

　FPGA 技術(shù)在國外發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，但在國內(nèi)，仍處在起步階段，大多數(shù)技術(shù)要靠進(jìn)口。Xilinx 和 Altera 是目前世界上兩大 FPGA 生產(chǎn)廠家，Altera 更面向軍用一點，Xilinx更面向商用。目前FPGA中使用最廣泛的語言是Verilog和VHDL兩種語言，兩種語言各有各的特點，Verilog 更接近我們所熟知的 C語言的語法。另外，兩種語言都不是專門的 FPGA 設(shè)計語言，F(xiàn)PGA 使用到的只是它們的子集而已。

　此次調(diào)研主要從四個不同的方面深入了解了一下 FPGA。當(dāng)然，F(xiàn)PGA 所涉及

　的知識不僅僅這么四個方面，在以后的學(xué)習(xí)中，同學(xué)們應(yīng)該從更多的方面深入理解，這樣才能更好的掌握好 FPGA 的相關(guān)知識。從 FPGA 在中國的發(fā)展來看，國內(nèi)現(xiàn)在緊缺 FPGA 方面的人才，為了以后的工作考慮，學(xué)好 FPGA 是找到好工作的一條途徑。

　 參考文獻(xiàn)

　 [1] 杜慧敏,李宥謀，趙全良：基于 Verilog 的 FPGA 設(shè)計基礎(chǔ).西安電子科技大學(xué)出版社，2006 [2] 朱赤駒：FPGA 中 CLB 電路的設(shè)計研究.電子科技大學(xué)碩士學(xué)士論文，2009 [3] 周奇勛，王勉華，樂春峽：基于 FPGA 的 VHDL 語言設(shè)計優(yōu)化.儀器儀表學(xué)報，2003

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