FPGA 专辑（清华远见）

时间：2018-03-29 12:47:17 由陈阳分享

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FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD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。 FPGA的开发相对于传统PC、单片机的开发有很大不同。FPGA以并行运算为主，以硬件描述语言来实现；相比于PC或单片机（无论是冯诺依曼结构还是哈佛结构）的顺序操作有很大区别，也造成了FPGA开发入门较难。目前国内有专业的FPGA外协开发厂家，如[北京中科鼎桥ZKDQ-TECH]等。FPGA开发需要从顶层设计、模块分层、逻辑实现、软硬件调试等多方面着手。 “FPGA非常适用于原型设计，但对于批量DSP系统应用来说，成本太高，功耗太大。”这是业界此前的普遍观点，很长时间以来也为FPGA进入DSP领域设置了观念上的障碍。而如今，随着Xilinx公司和Altera公司相关产品的推出，DSP领域已经不再是FPGA的禁区，相反却成了FPGA未来的希望所在。 FPGA对半导体产业最大的贡献莫过于创立了无生产线(Fabless)模式。如今采用这种模式司空见惯，但是在20多年前，制造厂被认为是半导体芯片企业必须认真考虑的主要竞争优势。然而，基于过去和关系和直接、清晰的业务模式，Xilinx创始人之一Bernie Vonderschmitt成功地使日本精工公司(Seiko)确信利用该公司的制造设施来生产Xilinx公司设计的芯片对双方都是有利的，于是，无生产线模式诞生了。未来，相信FPGA还将在更多方面改变半导体产业! 为确保正确上电，内核电压VCCINT的缓升时间必须在制造商规定的范围内。对于一些FPGA，由于VCCINT会在晶体管阈值导通前停留更多时间，因此过长的缓升时间可能会导致启动电流持续较长时间。如果电源向FPGA提供大电流，则较长的上电缓升时间会引起热应力。ADI公司的DC-DC稳压器提供可调软启动，缓升时间可以通过外部电容进行控制。缓升时间典型值在20ms至100ms范围内。许多FPGA没有时序控制要求，因此VCCINT、VCCO和VCCAUX可以同时上电。如果这一点无法实现，上电电流可以稍高。时序要求依具体FPGA而异。对于一些FPGA，必须同时给VCCINT和VCCO供电。对于另一些FPGA，这些电源可按任何顺序接通。多数情况下，先给VCCINT后给VCCO供电是一种较好的做法。当VCCINT在0.6V至0.8V范围内时，某些FPGA系列会产生上电涌入电流。在此期间，电源转换器持续供电。这种应用中，因为器件需通过降低输出电压来限制电流，所以不推荐使用返送电流限制。但在限流电源解决方案中，一旦限流电源所供电的电路电流超过设定的额定电流，电源就会将该电流限制在额定值以下。基本特点 1）采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 3）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。 4）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。 5) FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说，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。 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。注意事项编辑基础问题 FPGA的基础就是数字电路和VHDL语言，想学好FPGA的人，建议床头都有一本数字电路的书，不管是哪个版本的，这个是基础，多了解也有助于形成硬件设计的思想。在语言方面，建议初学者学习Verilog语言，VHDL语言语法规范严格，调试起来很慢，Verilog语言容易上手，而且，一般大型企业都是用Verilog语言，VHDL语言规范，易读性强，所以一般军工都用VHDL。工具问题熟悉几个常用的就可以的，开发环境Quartus II ，或ISE 就可以了，这两个基本是相通的，会了哪一个，另外的那个也就很Easy了。功能仿真建议使用Modelsim ，如果你是做芯片的，就可以学学别的仿真工具，做FPGA的，Modelsim就足够了。综合工具一般用Synplify，初学先不用太关心这个，用Quartus综合就OK了。思想问题对于初学者，特别是从软件转过来的，设计的程序既费资源又速度慢，而且很有可能综合不了，这就要求我们熟悉一些固定模块的写法，可综合的模块很多书上都有，语言介绍上都有，不要想当然的用软件的思想去写硬件。在学习FPGA开发过程，首先要对电路设计熟悉，明白电路的工作过程：电路是并行执行。习惯问题 FPGA学习要多练习，多仿真，signaltapII是很好的工具，可以看到每个信号的真实值，建议初学者一定要自己多动手，光看书是没用的。关于英文文档问题，如果要学会Quartus II的所有功能，只要看它的handbook就可以了，很详细，对于IT行业的人，大部分知识来源都是英文文档，一定要耐心看，会从中收获很多的。算法问题做FPGA的工程师，最后一般都是专攻算法了，这些基础知识都是顺手捏来的，如果你没有做好搞理论的准备，学FPGA始终只能停留在初级阶段上。对于初学者，数字信号处理是基础，应该好好理解，往更深的方向，不用什么都学，根据你以后从事的方向，比如说通信、图像处理，雷达、声纳、导航定位等。配置模式编辑 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。如何实现快速的时序收敛、降低功耗和成本、优化时钟管理并降低FPGA与PCB并行设计的复杂性等问题，一直是采用FPGA的系统设计工程师需要考虑的关键问题。如今，随着FPGA向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向发展，系统设计工程师在从这些优异性能获益的同时，不得不面对由于FPGA前所未有的性能和能力水平而带来的新的设计挑战。例如，领先FPGA厂商Xilinx推出的Virtex-5系列采用65nm工艺，可提供高达33万个逻辑单元、1,200个I/O和大量硬IP块。超大容量和密度使复杂的布线变得更加不可预测，由此带来更严重的时序收敛问题。此外，针对不同应用而集成的更多数量的逻辑功能、DSP、嵌入式处理和接口模块，也让时钟管理和电压分配问题变得更加困难。幸运地是，FPGA厂商、EDA工具供应商正在通力合作解决65nm FPGA独特的设计挑战。不久以前，Synplicity与Xilinx宣布成立超大容量时序收敛联合工作小组，旨在最大程度地帮助系统设计工程师以更快、更高效的方式应用65nm FPGA器件。设计软件供应商Magma推出的综合工具Blast FPGA能帮助建立优化的布局，加快时序的收敛。 FPGA的配置方式已经多元化！市场发展编辑事实上90年代后期FPGA市场就已经过一番激烈整合，许多业者不是退出PLD(可程序化逻辑装置)市场，就是出售其PLD业务部门，或将PLD业务部门分立成独立公司，或进行购并等。时至今日，FPGA市场的主要业者仅剩数家，包括Altera、Xilinx(赛灵思，过去称为：智霖科技)、Actel、Atmel、Lattice、QuickLogic等，不过2007年11月QuickLogic也确定淡出FPGA市场，并转进发展CSSP(CustomerSpecificStandardProduct)。但FPGA领域依然有新兴业者出现，例如AchronixSemiconductor、MathStar等。且除了单纯数字逻辑性质的可程序逻辑装置外，混讯、模拟性质的可程序逻辑装置也展露头角，例如CypressSemiconductor的PSoC(ProgrammableSystem-on-Chip)即具有可组态性的混讯电路，或如Actel公司也提出可程序化的混讯芯片：Fusion，或者也有业者提出所谓的现场可程序化模拟数组(FieldProgrammableAnalogArray；FPAA)等，相信这些都能为可程序化芯片带来更多的发展动能。[4] FPGA（现场可编程逻辑器件）产品的应用领域已经从原来的通信扩展到消费电子、汽车电子、工业控制、测试测量等广泛的领域。而应用的变化也使FPGA产品近几年的演进趋势越来越明显：一方面，FPGA供应商致力于采用当前最先进的工艺来提升产品的性能，降低产品的成本；另一方面，越来越多的通用IP（知识产权）或客户定制IP被引入FPGA中，以满足客户产品快速上市的要求。此外，FPGA企业都在大力降低产品的功耗，满足业界越来越苛刻的低功耗需求。

更新时间：2015-11-13 14:50