FPGA综述报告.docx
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FPGA综述报告
FPGA综述报告目录
1可编程逻辑器件概述和发展历史...................................................................................................................1
1.1可编程逻辑器件概述...........................................................................................................................1
1.2可编程逻辑器件的发展历史..............................................................................................................2
2FPGA简介..........................................................................................................................................................3
2.1什么是FPGA..........................................................................................................................................3
2.2FPGA发展趋势.......................................................................................................................................3
2.3FPGA的组成和特点...............................................................................................................................4
3FPGA原理和芯片结构......................................................................................................................................5
3.1FPGA工作原理.......................................................................................................................................5
3.1.1查找表的结构与工作原理.........................................................................................................6
3.1.2基于查找表(LUT)的FPGA的结构..........................................................................................6
3.1.3查找表结构的FPGA逻辑实现原理...........................................................................................8
3.2FPGA的芯片结构...................................................................................................................................9
3.3IP核简介...............................................................................................................................................12
4FPGA设计方法概论........................................................................................................................................13
5FPGA设计中的关键技术和原则....................................................................................................................16
6相关芯片介绍.................................................................................................................................................16
6.1Vitrex-2系列........................................................................................................................................17
6.2Virtex-2Pro系列..................................................................................................................................18
6.3Vitex-4系列.........................................................................................................................................18
6.4Virtex-5系列.......................................................................................................................................20
7FPGA常见模块与技术....................................................................................................................................21
7.1DLL模块...............................................................................................................................................21
7.2数字频率合成器..................................................................................................................................23
7.3数字移相器.........................................................................................................................................23
7.4数字频谱合成器.................................................................................................................................24
7.5串化与解串技术.................................................................................................................................25
7.6字对齐技术..........................................................................................................................................26
7.7通道绑定技术...................................................................................................................................27
7.8预加重技术..........................................................................................................................................28
8FPGA与CPLD的区别..........................................................................................................................30
1可编程逻辑器件概述和发展历史
1.1可编程逻辑器件概述
可编程逻辑器件(ProgrammableLogicDevice,PLD)起源于20世纪70年代,是在专用集成电路(ASIC)的基础上发展起来的一种新型逻辑器件,是当今数字系统设计的主要硬件平台,其主要特点就是完全由用户通过软件进行配置和编程,从而完成某种特定的功能,且可以反复擦写。
在修改和升级PLD时,不需额外地改变PCB电路板,只是在计算机上修改和更新程序,使硬件设计工作成为软件开发工作,缩短了系统设计的周期,提高了实现的灵活性并降低了成本,因此获得了广大硬件工程师的青睐,形成了巨大的PLD产业规模。
目前常见的PLD产品有:
编程只读存储器(ProgrammableReadOnlyMemory,PROM),现场可编程逻辑阵列(FieldProgrammableLogicArray,FPLA),可编程阵列逻辑(ProgrammableArrayLogic,PAL),通用阵列逻辑(GenericArrayLogic,GAL),可擦除的可编程逻辑器件(ErasableProgrammableLogicArray,EPLA),复杂可编程逻辑器件(ComplexProgrammableLogicDevice,CPLD)和现场可编程门阵列(FieldProgrammableGateArray,FPGA)等类型。
PLD器件从规模上又可以细分为简单PLD
(SPLD)、复杂PLD(CPLD)以及FPGA。
它们内部结构的实现方法各不相同。
可编程逻辑器件按照颗粒度可以分为3类:
①小颗粒度(如:
“门海(seaofgates)”架构),
②中等颗粒度(如:
FPGA),③大颗粒度(如:
CPLD)。
按照编程工艺可以分为四类:
①熔丝(Fuse)和反熔丝(Antifuse)编程器件,②可擦除的可编程只读存储器(UEPROM)编程器件,③电信号可擦除的可编程只读存储器(EEPROM)编程器件(如:
CPLD),④SRAM编程器件(如:
FPGA)。
在工艺分类中,前3类为非易失性器件,编程后,配置数据保留在器件上;第4类为易失性器件,掉电后配置数据会丢失,因此在每次上电后需要重新进行数据配置。
1.2可编程逻辑器件的发展历史
可编程逻辑器件的发展可以划分为4个阶段,即从20世纪70年代初到70年代中为
第1阶段,20世纪70年代中到80年代中为第2阶段,20世纪80年代到90年代末为第
3阶段,20世纪90年代末到目前为第4阶段。
第1阶段的可编程器件只有简单的可编程只读存储器(PROM)、紫外线可擦除只读存储器(EPROM)和电可擦只读存储器(EEPROM)3种,由于结构的限制,它们只能完成简单的数字逻辑功能。
第2阶段出现了结构上稍微复杂的可编程阵列逻辑(PAL)和通用阵列逻辑(GAL)器件,正式被称为PLD,能够完成各种逻辑运算功能。
典型的PLD由“与”、“非”阵列组成,用“与或”表达式来实现任意组合逻辑,所以PLD能以乘积和形式完成大量的逻辑组合。
第3阶段Xilinx和Altera分别推出了与标准门阵列类似的FPGA和类似于PAL结构的扩展性CPLD,提高了逻辑运算的速度,具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点,兼容了PLD和通用门阵列的优点,能够实现超大规模的电路,编程方式也很灵活,成为产品原型设计和中小规模(一般小于10000)产品生产的首选。
这一阶段,CPLD、FPGA器件在制造工艺和产品性能都获得长足的发展,达到了0.18工艺和系数门数百万门的规模。
第4阶段出现了SOPC和SOC技术,是PLD和ASIC技术融合的结果,涵盖了实时化数字信号处理技术、高速数据收发器、复杂计算以及嵌入式系统设计技术的全部内容。
Xilinx
和Altera也推出了相应SOCFPGA产品,制造工艺达到65,系统门数也超过百万门。
并且,这一阶段的逻辑器件内嵌了硬核高速乘法器、Gbits差分串行接口、时钟频率高达
500MHz的PowerPC微处理器、软核MicroBlaze、Picoblaze、Nios以及NiosII,不仅实现了软件需求和硬件设计的完美结合,还实现了高速与灵活性的完美结合,使其已超越了
ASIC器件的性能和规模,也超越了传统意义上FPGA的概念,使PLD的应用范围从单片扩展到系统级。
目前,基于PLD片上可编程的概念仍在进一步向前发展。
2FPGA简介
2.1什么是FPGA
FPGA(FieldProgrammableGateArray)即现场可编程门阵列,是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的,即解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。
2.2FPGA发展趋势
先进的ASIC生产工艺已经被用于FPGA的生产,越来越丰富的处理器内核被嵌入到高端的FPGA芯片中,基于FPGA的开发成为一项系统级设计工程。
随着半导体制造工艺的不同提高,FPGA的集成度将不断提高,制造成本将不断降低,其作为替代ASIC来实现电子系统的前景将日趋光明。
(1)大容量、低电压、低功耗FPGA
大容量FPGA是市场发展的焦点。
FPGA产业中的两大霸主:
Altera和Xilinx在超大容量FPGA上展开了激烈的竞争。
2007年Altera推出了65nm工艺的StratixIII系列芯片,其容量为67200个LE(LogicElement,逻辑单元),Xilinx推出的65nm工艺的VitexVI系列芯片,其容量为33792个Slices(一个Slices约等于2个LE)。
采用深亚微米(DSM)的半导体工艺后,器件在性能提高的同时,价格也在逐步降低。
由于便携式应用产品的发展,对FPGA的低电压、低功耗的要日益迫切。
因此,无论那个厂家、哪种类型的产品,都在瞄准这个方向而努力。
(2)系统级高密度FPGA
随着生产规模的提高,产品应用成本的下降,FPGA的应用已经不是过去的仅仅适用于系统接口部件的现场集成,而是将它灵活地应用于系统级(包括其核心功能芯片)设计之中。
在这样的背景下,国际主要FPGA厂家在系统级高密度FPGA的技术发展上,主要强调了两个方面:
FPGA的IP(Intellec2tualProperty,知识产权)硬核和IP软核。
当前具
有IP内核的系统级FPGA的开发主要体现在两个方面:
一方面是FPGA厂商将IP硬核(指完成版图设计的功能单元模块)嵌入到FPGA器件中,另一方面是大力扩充优化的IP软核
(指利用HDL语言设计并经过综合验证的功能单元模块),用户可以直接利用这些预定义的、
经过测试和验证的IP核资源,有效地完成复杂的片上系统设计。
(3)FPGA和ASIC出现相互融合
虽然标准逻辑ASIC芯片尺寸小、功能强、功耗低,但其设计复杂,并且有批量要求。
FPGA价格较低廉,能在现场进行编程,但它们体积大、能力有限,而且功耗比ASIC大。
正因如此,FPGA和ASIC正在互相融合,取长补短。
随着一些ASIC制造商提供具有可编程逻辑的标准单元,FPGA制造商重新对标准逻辑单元发生兴趣。
(4)动态可重构FPGA
动态可重构FPGA是指在一定条件下芯片不仅具有在系统重新配置电路功能的特性,而且还具有在系统动态重构电路逻辑的能力。
对于数字时序逻辑系统,动态可重构FPGA的意义在于其时序逻辑的发生不是通过调用芯片内不同区域、不同逻辑资源来组合而成,而是通过对FPGA进行局部的或全局的芯片逻辑的动态重构而实现的。
动态可重构FPGA在器件编程结构上具有专门的特征,其内部逻辑块和内部连线的改变,可以通过读取不同
的SRAM中的数据来直接实现这样的逻辑重构,时间往往在纳秒级,有助于实现FPGA系统逻辑功能的动态重构。
2.3FPGA的组成和特点
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(LogicCellArray)这样一个新概念,内部包括可配置逻辑模块CLB(ConfigurableLogicBlock)、输出输入模块IOB(InputOutputBlock)和内部连线(Interconnect)三个部分。
FPGA的基本特点主要有:
1)采用FPGA设计ASIC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CHMOS工艺,功耗低,可以与CMOS、TTL电平兼容。
用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置,以实现用户的逻辑。
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。
它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性,使得硬件的功能可以像软件一样
通过编程来修改。
作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路,FPGA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。
可以毫不夸张的讲,FPGA能完成任何数字器件的功能,上至高性能CPU,下至简单的74电路,都可以用FPGA来实现。
FPGA如同一张白纸或是一堆积木,工程师可以通过传统的原理图输入法,或是硬件描述语言自的设计一个数字系统。
通过软件仿真,我们可以事先验证设计的正确性。
在PCB完成以后,还可以利用FPGA的在线修改能力,随时修改设计而不必改动硬件电路。
使用FPGA来开发数字电路,可以大大缩短设计时间,减少PCB面积,提高系统的可靠性。
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(紫外线可擦出只读存储器)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(可编程只读存储器)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。
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。
目前FPGA的品种很多,有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。
FPGA可以用VHDL或verilogHDL来编程,灵活性强,由于能够进行编程、除错、再编程和重复操作,因此可以充分地进行设计开发和验证。
当电路有少量改动时,更能显示
出FPGA的优势,其现场编程能力可以延长产品在市场上的寿命,而这种能力可以用来进行系统升级或除错。
3FPGA原理和芯片结构
3.1FPGA工作原理
目前,FPGA市场占有率最高的两大公司Xilinx和Altera生产的FPGA都采用基于SRAM工艺的查找表结构,通过烧写文件改变查找表内容的方法来实现对FPGA的重复配置,需要在使用时外接一个片外存储器以保存程序。
上电时,FPGA将外部存储器中的数
据读入片内RAM,完成配置后,进入工作状态;掉电后FPGA恢复为白片,内部逻辑消失。
根据数字电路的基本知识可以知道,对于一个n输入的逻辑运算,不管是与或非运算还是异或运算等等,最多只可能存在2n种结果。
所以如果事先将相应的结果存放于一个存贮单元,就相当于实现了与非门电路的功能。
FPGA的原理也是如此,它通过烧
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