現(xiàn)場可編程門陣列

百科解釋

目錄·【FPGA工作原理】
·【FPGA配置模式】
·【FPGA主要生產(chǎn)廠商介紹】
·FPGA與CPLD的辨別和分類

　　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：

　　1）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。

　　2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。

　　3）FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I／O引腳。

　　4）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。

　　5) 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。

　　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配置模式】

　　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。

　　如何實(shí)現(xiàn)快速的時(shí)序收斂、降低功耗和成本、優(yōu)化時(shí)鐘管理并降低FPGA與PCB并行設(shè)計(jì)的復(fù)雜性等問題，一直是采用FPGA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師需要考慮的關(guān)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(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師在從這些優(yōu)異性能獲益的同時(shí)，不得不面對(duì)由于FPGA前所未有的性能和能力水平而帶來的新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

　　例如，領(lǐng)先FPGA廠商Xilinx最近推出的Virtex-5系列采用65nm工藝，可提供高達(dá)33萬個(gè)邏輯單元、1,200個(gè)I/O和大量硬IP塊。超大容量和密度使復(fù)雜的布線變得更加不可預(yù)測，由此帶來更嚴(yán)重的時(shí)序收斂問題。此外，針對(duì)不同應(yīng)用而集成的更多數(shù)量的邏輯功能、DSP、嵌入式處理和接口模塊，也讓時(shí)鐘管理和電壓分配問題變得更加困難。

　　幸運(yùn)地是，F(xiàn)PGA廠商、EDA工具供應(yīng)商正在通力合作解決65nm FPGA獨(dú)特的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。不久以前，Synplicity與Xilinx宣布成立超大容量時(shí)序收斂聯(lián)合工作小組，旨在最大程度幫助地系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師以更快、更高效的方式應(yīng)用65nm FPGA器件。設(shè)計(jì)軟件供應(yīng)商Magma推出的綜合工具Blast FPGA能幫助建立優(yōu)化的布局，加快時(shí)序的收斂。

　　最近FPGA的配置方式已經(jīng)多元化！

【FPGA主要生產(chǎn)廠商介紹】

　　1、Altera

　　2、Xilinx

　　3、Actel

　　4、Lattice

　　其中Altera和Xilinx主要生產(chǎn)一般用途FPGA，其主要產(chǎn)品采用RAM工藝。Actel主要提供非易失性FPGA，產(chǎn)品主要基于反熔絲工藝和FLASH工藝。

　　FPGA設(shè)計(jì)的注意事項(xiàng)

　　不管你是一名邏輯設(shè)計(jì)師、硬件工程師或系統(tǒng)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(xié)議的復(fù)雜系統(tǒng)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(hào)完整性和其他的一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)問題。不過，你不必獨(dú)自面對(duì)這些挑戰(zhàn)，因?yàn)樵诋?dāng)前業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的FPGA公司里工作的應(yīng)用工程師每天都會(huì)面對(duì)這些問題，而且他們已經(jīng)提出了一些將令你的設(shè)計(jì)工作變得更輕松的設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則和解決方案。

　　I/O信號(hào)分配

　　可提供最多的多功能引腳、I/O標(biāo)準(zhǔn)、端接方案和差分對(duì)的FPGA在信號(hào)分配方面也具有最復(fù)雜的設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則。盡管Altera的FPGA器件沒有設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則(因?yàn)樗鼘?shí)現(xiàn)起來比較容易)，但賽靈思的FPGA設(shè)計(jì)指導(dǎo)原則卻很復(fù)雜。但不管是哪一種情況，在為I/O引腳分配信號(hào)時(shí)，都有一些需要牢記的共同步驟：

　　1. 使用一個(gè)電子數(shù)據(jù)表列出所有計(jì)劃的信號(hào)分配，以及它們的重要屬性，例如I/O標(biāo)準(zhǔn)、電壓、需要的端接方法和相關(guān)的時(shí)鐘。

　　2. 檢查制造商的塊/區(qū)域兼容性準(zhǔn)則。

　　3. 考慮使用第二個(gè)電子數(shù)據(jù)表制訂FPGA的布局，以確定哪些管腳是通用的、哪些是專用的、哪些支持差分信號(hào)對(duì)和全局及局部時(shí)鐘、哪些需要參考電壓。

　　4. 利用以上兩個(gè)電子數(shù)據(jù)表的信息和區(qū)域兼容性準(zhǔn)則，先分配受限制程度最大的信號(hào)到引腳上，最后分配受限制最小的。例如，你可能需要先分配串行總線和時(shí)鐘信號(hào)，因?yàn)樗鼈兺ǔＶ环峙涞揭恍┨囟ㄒ_。

　　5. 按照受限制程度重新分配信號(hào)總線。在這個(gè)階段，可能需要仔細(xì)權(quán)衡同時(shí)開關(guān)輸出(SSO)和不兼容I/O標(biāo)準(zhǔn)等設(shè)計(jì)問題，尤其是當(dāng)你具有很多個(gè)高速輸出或使用了好幾個(gè)不同的I/O標(biāo)準(zhǔn)時(shí)。如果你的設(shè)計(jì)需要局部/區(qū)域時(shí)鐘，你將可能需要使用高速總線附近的管腳，最好提前記住這個(gè)要求，以免最后無法為其安排最合適的引腳。如果某個(gè)特定塊所選擇的I/O標(biāo)準(zhǔn)需要參考電壓信號(hào)，記住先不要分配這些引腳。差分信號(hào)的分配始終要先于單端信號(hào)。如果某個(gè)FPGA提供了片內(nèi)端接，那么它也可能適用于其他兼容性規(guī)則。

　　6. 在合適的地方分配剩余的信號(hào)。

　　在這個(gè)階段，考慮寫一個(gè)只包含端口分配的HDL文件。然后通過使用供應(yīng)商提供的工具或使用一個(gè)文本編輯器手動(dòng)創(chuàng)建一個(gè)限制文件，為I/O標(biāo)準(zhǔn)和SSO等增加必要的支持信息。準(zhǔn)備好這些基本文件后，你可以運(yùn)行布局布線工具來確認(rèn)是否忽視了一些準(zhǔn)則或者做了一個(gè)錯(cuò)誤的分配。

　　這將使你在設(shè)計(jì)的初始階段就和布局工程師一起工作，共同規(guī)劃PCB的走線、冗余規(guī)劃、散熱問題和信號(hào)完整性。FPGA工具可能可以在這些方面提供幫助，并協(xié)助你解決這些問題，因此你必須確保了解你的工具包的功能。

　　你咨詢一位布局專家的時(shí)間越晚，你就越有可能需要去處理一些復(fù)雜的問題和設(shè)計(jì)反復(fù)，而這些可能可以通過一些前期分析加以避免。一旦你實(shí)現(xiàn)了滿意的信號(hào)分配，你就要用限制文件鎖定它們。

　　基于CMOS的設(shè)計(jì)主要消耗三類切率：內(nèi)部的（短路）、漏電的（靜態(tài)的）以及開關(guān)的（電容）。當(dāng)門電路瞬變時(shí)，VDD與地之間短路連接消耗內(nèi)部功率。漏電功耗是CMOS工藝普遍存在的寄生效應(yīng)引起的。而開關(guān)功耗則是自負(fù)載電容,放電造成的。開關(guān)功耗與短路功耗合在一起稱為動(dòng)態(tài)功耗。下面介紹降低靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗的設(shè)計(jì)技巧。

　　降低靜態(tài)功耗

　　雖然靜態(tài)電流與動(dòng)態(tài)電流相比可以忽略不計(jì)，然而對(duì)電池供電的手持設(shè)備就顯得十分重要，在設(shè)備通電而不工作時(shí)更是如此。靜態(tài)電流的因素眾多，包括處于沒有完全關(guān)斷或接通的狀態(tài)下的I/O以及內(nèi)部晶體管的工作電流、內(nèi)部連線的電阻、輸入與三態(tài)電驅(qū)動(dòng)器上的拉或下拉電阻。在易失性技術(shù)中，保持編程信息也需一定的靜態(tài)功率。抗熔斷是一種非易失性技術(shù)，因此信息存儲(chǔ)不消耗靜態(tài)電流。

　　下面介紹幾種降低靜態(tài)功耗的設(shè)計(jì)方法：

　　驅(qū)動(dòng)輸入應(yīng)有充分的電壓電平，因而所有晶體管都是完全通導(dǎo)或關(guān)閉的。

　　由于I/O線上的上拉或下拉電阻要消耗一定的電流，因此盡量避免使用這些電阻。

　　少用驅(qū)動(dòng)電阻或雙極晶體管，這些器件需維持一個(gè)恒定電流，從而增加了靜態(tài)電流。

　　將時(shí)鐘引腳按參數(shù)表推薦條件連接至低電平。懸空的時(shí)鐘輸入會(huì)大大增加靜態(tài)電流。

　　在將設(shè)計(jì)劃分為多個(gè)器件時(shí)，減少器件間I/O的使用。

　　eX器件LP方式引腳的使用

　　Actel eX系列設(shè)計(jì)了特殊的低功率“休眠”模式。在該引腳驅(qū)動(dòng)至高電平800ns后，器件進(jìn)入極低功率待機(jī)模式，待機(jī)電流小于100μA。在低功率模式下，所有I/O（除時(shí)鐘輸入外）都處于三態(tài)，而內(nèi)核全部斷電。由于內(nèi)核被斷電，觸發(fā)器中存儲(chǔ)的信息會(huì)丟失，在進(jìn)入工作模式（在引腳驅(qū)動(dòng)至低平200ms后）時(shí)，用戶需再次對(duì)器件初始化。同樣，用戶也應(yīng)關(guān)閉所有通過CLKA、CLKB以及HCLK輸入的時(shí)鐘。然而這些時(shí)鐘并不處于三態(tài)，時(shí)鐘就可進(jìn)入器件，從而增加功耗，因此在低功率模式下，時(shí)鐘輸入必須處于邏輯0或邏輯1。

　　有時(shí)用戶很難阻止時(shí)鐘進(jìn)入器件。在此場合，用戶可使用與CLKA或CLKA相鄰的正常輸入引腳并在設(shè)計(jì)中加進(jìn)CLKINT。這樣，時(shí)鐘將通過靠近時(shí)鐘引腳的正常輸入進(jìn)入器件，再通過CLKINT向器件提供時(shí)鐘資源。

　　采用這種輸入電路后，由于常規(guī)I/O是三態(tài)的，因此用戶不必?fù)?dān)心時(shí)鐘進(jìn)入器件。當(dāng)然，增加一級(jí)門電路會(huì)產(chǎn)生0.6ns的較大時(shí)鐘延時(shí)，幸好這在多數(shù)低功率設(shè)計(jì)中是可以接受的。注意應(yīng)將與CLKINT緩沖器相關(guān)的CLKA或CLKB引腳接地。

　　此外還要注意，CLKINT只可用作連線時(shí)鐘，HCLK并不具備將內(nèi)部走線網(wǎng)連接到HCLK的能力，因而HCLK資源不能被常規(guī)輸入驅(qū)動(dòng)。換句話說，如果使用LP引腳就不能使用HCLK；使用HCLK時(shí)就應(yīng)在外部截?cái)鄷r(shí)鐘信號(hào)。

　　降低動(dòng)態(tài)功耗

　　動(dòng)態(tài)功耗是在時(shí)鐘工作且輸入正在開關(guān)時(shí)的功耗。對(duì)CMOS電路，動(dòng)態(tài)功耗基本上確定了總功耗。動(dòng)態(tài)功耗包括幾個(gè)成分，主要是電容負(fù)載充電與放電（內(nèi)部與I/O）以及短路電流。多數(shù)動(dòng)態(tài)功率是內(nèi)部或外部電容向器件充、放電消耗的。如果器件驅(qū)動(dòng)多個(gè)I/O負(fù)載，大量的動(dòng)態(tài)電流構(gòu)成總功耗的主要部分。

　　對(duì)設(shè)計(jì)中給定的驅(qū)動(dòng)器，動(dòng)態(tài)功耗由下式計(jì)算

　　p=CL×V 2 DD×f

　　式中，CL是電容負(fù)載，VDD是電源電壓，f則是開關(guān)頻率�？偣氖敲總€(gè)驅(qū)動(dòng)器功耗之總和。

　　由于VDD是固定的，降低內(nèi)部功耗就要降低平均邏輯開關(guān)頻率，減少每個(gè)時(shí)鐘沿處的邏輯開關(guān)總數(shù)、減少連線網(wǎng)絡(luò)，特別是高頻信號(hào)連線網(wǎng)絡(luò)中的電容值。對(duì)低功率設(shè)計(jì)，需要從系統(tǒng)至工藝的每個(gè)設(shè)計(jì)級(jí)別中采取相應(yīng)預(yù)防措施，級(jí)別越高，效果越好。

FPGA與CPLD的辨別和分類

　　FPGA與CPLD的辨別和分類主要是根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。通常的分類方法是：

　　將以乘積項(xiàng)結(jié)構(gòu)方式構(gòu)成邏輯行為的器件稱為CPLD，如Lattice的ispLSI系列、Xilinx的XC9500系列、Altera的MAX7000S系列和Lattice(原Vantis)的Mach系列等。

　　將以查表法結(jié)構(gòu)方式構(gòu)成邏輯行為的器件稱為FPGA，如Xilinx的SPARTAN系列、Altera的FLEX10K或ACEX1K系列等。

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