FPGA技術(shù)調(diào)研匯報AFPGA技術(shù)調(diào)研匯報——認(rèn)識比較全方位的FPGA目錄第一章：概述"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""1第一節(jié)FPGA的發(fā)展概述"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""1第二節(jié)FPGA的構(gòu)造概述"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""1第二章：AFPGA與各國發(fā)展"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""2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：AFPGA與生產(chǎn)廠家"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""3第一節(jié)FPGA與Xilinx"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""3第二節(jié)FPGA與Altera"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""5第四章：AFPGA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)"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""6參照文獻(xiàn)"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""7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（FieldProgrammableGateArray）是20世紀(jì)80年代中期又沒過Xilinx企業(yè)首先推出來的。伴隨半導(dǎo)體加工工藝的不停發(fā)展，F(xiàn)PGA在構(gòu)造、速度、工藝、集成度和性能等方面均有了極大的改善和提高，與之相對應(yīng)的設(shè)計措施學(xué)和自動化設(shè)計工具也得到迅速發(fā)展。簡樸的講，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（IntegratedCircuit），它包括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)場完畢對這些邏輯塊和連線的配置，以實現(xiàn)或變化復(fù)雜的電子系統(tǒng)的功能。為了對FPGA有一種較全面的認(rèn)識，我們簡要回憶一下FPGA發(fā)展有關(guān)的技術(shù)如圖1所示，圖紙的白色區(qū)域表達(dá)以開始研究該技術(shù)的時間，不過由于種種原因沒有得到很好的推廣。圖1FPGA技術(shù)發(fā)展過程第二節(jié)FPGA的構(gòu)造概述每一種FPGA生產(chǎn)廠斗毆自己的FPGA體系構(gòu)造，不過所有廠家的FPGA機(jī)構(gòu)中都包括了如圖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。此外，在FPGA中有一種時鐘電路用于驅(qū)動時鐘信號到每個CLB中的觸發(fā)器，尚有某些其他邏輯資源如存儲器、譯碼器等。伴隨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2FPGA的構(gòu)造第二章：AFPGA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)通過數(shù)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，芯片集成度已到達(dá)上百萬門，并廣泛應(yīng)用于通信、航天、航空、導(dǎo)航、遙感、遙測、程控互換機(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企業(yè)所壟斷。其技術(shù)通過近二十年的經(jīng)驗積累，技術(shù)力量十分雄厚。器件尺寸到達(dá)65nm，規(guī)模到達(dá)千萬門級。各企業(yè)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)計企業(yè)是全球領(lǐng)先的可編程邏輯完整處理方案的供應(yīng)商。詳細(xì)Xilinx、Altera生產(chǎn)廠家狀況會在第三章簡介。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)高速增長與關(guān)鍵技術(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。由于外資的巨大奉獻(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應(yīng)了國內(nèi)的企業(yè)與科研院所尚不具有與跨國企業(yè)開展全面競爭，中國電子信息產(chǎn)業(yè)仍處在加工組裝階段的現(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)?；谝陨显颍瑖鴥?nèi)在可編程邏輯器件領(lǐng)域尚處在起步階段，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器件所有依托進(jìn)口，被國外企業(yè)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)域還處在起步階段，國內(nèi)多家研制單位作了大量基礎(chǔ)性的工作，并獲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)，下面將展開簡介。1）華微電子系統(tǒng)有限企業(yè)華微電子成立之初就確立企業(yè)發(fā)展的專業(yè)方向——可編程邏輯器件，數(shù)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)上獲得了重大突破。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、彌補(bǔ)空白。掌握了可編程邏輯器件的設(shè)計措施和總結(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)計措施。華微企業(yè)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)完畢。華微企業(yè)“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。華微企業(yè)百萬門級FPGA芯片設(shè)計措施與研究獲得階段性成果。華微企業(yè)具有自主燒錄器、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)旦微電子企業(yè)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；獲得多項具有自主知識產(chǎn)權(quán)的研究成果；獲得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Xilinx4000的架構(gòu)設(shè)計了一款可用系統(tǒng)門為3萬門的FPGA芯片，并在布線算法方面獲得了一定的研究成果。此外，國內(nèi)其他研究院所也作了大量的基礎(chǔ)工作。不過到目前為止，國內(nèi)的FPGA芯片設(shè)計仍然重要集中在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，尚無可以真正符合工業(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核算現(xiàn)的芯片出現(xiàn)。第三章：AFPGA與生產(chǎn)廠家第一節(jié)FPGA與XilinxXilinx企業(yè)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年初次推出商業(yè)化產(chǎn)品。目前Xilinx滿足了全世界對FPGA產(chǎn)品二分之一以上的需求。Xilinx企業(yè)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-IIPro、VIRTEX-IIProX嵌入了微處理器和專用乘法器，VIRTEX4FX嵌入了處理器，提供系統(tǒng)的處理方案，功能愈加強(qiáng)大等。Xilinx于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)，包括四種截然不一樣的平臺（子系列），比此前任何FPGA系列提供的選擇范圍都大。每種平臺都包括不一樣的功能配比，以滿足諸多高級邏輯設(shè)計的需求。該系列重要由LX、LXT、SXT和FXT四個平臺構(gòu)成，其中VIRTEX-5LX是針對高性能通用邏輯應(yīng)用，VIRTEX-5LXT是針對具有高級串行連接功能的高性能邏輯，VIRTEX-5SXT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企業(yè)經(jīng)典代表產(chǎn)品是Virtex系列架構(gòu)的FPGA，其構(gòu)造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企業(yè)FPGA是基于查找表LUT構(gòu)造的，可配置邏輯塊CLB中還包括了功能強(qiáng)大的組合和時序邏輯，能根據(jù)不一樣的應(yīng)用需要實現(xiàn)多種組合與時序邏輯功能。每個CLB包括2個反復(fù)的邏輯單元，邏輯單元構(gòu)造在下述章節(jié)會有詳細(xì)簡介。每個邏輯單元由2個4輸入的LUT，來完畢基本的邏輯功能，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)器來完畢有關(guān)的時序電路。此外，電路還附加了某些特殊的資源，如進(jìn)位鏈，用來實現(xiàn)高速的運(yùn)算功能。除了最先進(jìn)的高性能邏輯架構(gòu)，VIRTEX-5FPGA還包括多種硬IP系統(tǒng)級模塊，包括強(qiáng)大的36KbBlockRAM/FIFO、第二代25x18DSPSlice、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器件還包括針對增強(qiáng)型串行連接的電源優(yōu)化高速串行收發(fā)器模塊、一種符合PCIExpress的集成端點(diǎn)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)計人員可以在其基于FPGA的系統(tǒng)中體現(xiàn)最高檔次的性能和功能。VIRTEX-5FPGA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-5FPGA此前所未有的邏輯、DSP、軟/硬微處理器和連接功能提供最佳處理方案，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-5LXT、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，具有零延緩慢沖、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、零延緩慢沖、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RocketI/OGTP收發(fā)器、PIC－E端點(diǎn)模塊和以太網(wǎng)MAC模塊。芯片內(nèi)部最高工作頻率可到達(dá)550M。第二節(jié)FPGA與AlteraALTERA企業(yè)于1983年6月在美國SANJOSE創(chuàng)立，也是一家提供可編程邏輯器件的專業(yè)設(shè)計企業(yè)。ALTERA是復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）的發(fā)明者，該企業(yè)于1988年在NASDAQ掛牌（ALTR），進(jìn)入90年代后來，ALTERA更成為發(fā)展最快的可編程邏輯器件廠商之一。ALTERA企業(yè)的FPGA器件有FLEX、CYCLONE、STRATIX三個系列。ALTERA企業(yè)器件系列豐富，產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣。除了初期型號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系列為該企業(yè)的主流產(chǎn)品。ALTERA企業(yè)的經(jīng)典產(chǎn)品FLEX8000系列架構(gòu)FPGA有三層構(gòu)造，F(xiàn)LEX8000器件的架構(gòu)見圖3。其最底層也是基于查找表構(gòu)造的。應(yīng)當(dāng)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概4000門到超過15000門。基本邏輯模塊又稱為邏輯單元（IE）包括有一種四端輸入的LUT、一種觸發(fā)器和對算法運(yùn)算電路有特殊用途的進(jìn)位電路（相似于XilinxXC4000）。圖3AlteraFLEX8000FPGA架構(gòu)第四章：AFPGA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重要有VerilogHDL、VHDL、ABEL—HDL和AHDL等。其中VHDL和VerilogHDL因適合原則化的發(fā)展方向而最終成為IEEE原則。與VHDL相比VerilogHDL有個最大的長處是：它是一種非輕易掌握的硬件描述語言。只要有C語言的編程基礎(chǔ)，一般通過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。并且完畢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語法的一種子集。第二節(jié)FPGA與VHDLVHDL是VeryhighspeedintegratedcircuitHardwareDescriptionLanguage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)的迅速進(jìn)步4VHDL所能提供高階電路描述語言的體現(xiàn)式讓復(fù)雜的電路可以通過VHDL編輯器的電路方式，輕易并且迅速地到達(dá)設(shè)計的規(guī)格，VHDL電路描述語言所能涵蓋的范圍相稱廣，能合用于多種不一樣階層的設(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，因此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一樣，它代表的是門陣列的動作狀態(tài)，因此在編寫VHDL程序時，不僅有