FPGA技術調研報告

1、fpga技術調研報告 a fpga 技術調研報告 認識比擬全方位的 fpga 目錄 第一章：概述 · ········································

2、3;·················1 第一節(jié) fpga 的開展概述 ······························

3、;·················1 第二節(jié) fpga 的結構概述 ······························

4、·················1 第二章：a fpga 與各國 開展 ·····························

5、3;·················2 第一節(jié) fpga 與國外開展 ······························

6、;·················2 第二節(jié) fpga 與中國開展 ······························

7、·················2 第三章：a fpga 與生產廠家 ······························

8、;·················3 第一節(jié) fpga 與 xilinx ·····························

9、83;·················3 第二節(jié) fpga 與 altera ·····························&

10、#183;·················5 第四章：a fpga 與 開發(fā)語言 ·····························

11、;··················6 第一節(jié) fpga 與 verilog ····························&#

12、183;··················6 第二節(jié) fpga 與 vhdl ····························&#

13、183;······················6 總結 ··························

14、83;········································6 參考文獻 ········&#

15、183;·················································&#

16、183;····7 第一章：概述 第一節(jié) fpga 的開展概述 現(xiàn)場可編程門陣列 fpga（field programmable gate array）是 20 世紀 80年代中期又沒過 xilinx 公司首先推出來的。隨著半導體加工工藝的不斷開展，fpga 在結構、速度、工藝、集成度和性能等方面都有了極大的改良和提高，與之相對應的設計方法學和自動化設計工具也得到迅速開展。 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。現(xiàn)場可編程是指設計人員

17、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)或改變復雜的電子系統(tǒng)的功能。為了對 fpga 有一個較全面的認識，我們簡要回憶一下 fpga 開展相關的技術如圖 1 所示，圖紙的白色區(qū)域表示以開始研究該技術的時間，但是由于種種原因沒有得到很好的推廣。 圖 1 fpga 技術開展過程 第二節(jié) fpga 的結構概述 每一個 fpga 生產廠斗毆自己的 fpga 體系結構，但是所有廠家的 fpga 機構中都包含了如圖 2 所示的三個根本塊，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動時鐘信號到每個 clb 中的觸發(fā)器，還有一些其

18、他邏輯資源如存儲器、譯碼器等。隨著 fpga 的開展，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 的結構 第二章：a fpga 與各國開展 第一節(jié) fpga 與國外開展 國外的 fpga 的設計技術經(jīng)過多年的開展和加工工藝已經(jīng)成熟，產品門類齊全，可以提供上百個系列品種，芯片集成度已到達上百萬門，并廣泛應用于通信、航天、航空、導航、遙感、遙測、程控交換機等軍、民用領域。目前，國內外可編程邏輯器件被美國幾家著名大公司所壟斷。其技術經(jīng)過近二十年的經(jīng)驗積累，技術力量十分雄厚。器件尺寸到達 65nm，規(guī)模到達千萬門級。各公司在宇航和軍用電子元器件的開展

19、十分迅速。世界排名前四的可編程器件供給商分別為 xilinx、altera、actel、lattice，這幾家可編程設計公司是全球領先的可編程邏輯完整解決方案的供給商。 具體 xilinx、altera 生產廠家情況會在第三章介紹。 第二節(jié) fpga 與國內開展 由于中國集成電路產業(yè)受到產業(yè)高速增長與核心技術長期受制國外技術壁壘的雙重影響，出現(xiàn)了產業(yè)規(guī)模盲目擴大與產品效益低下并存，外資大量進入與 外鄉(xiāng)大企業(yè)缺失并存的為難局面。由于外資的巨大奉獻，中國的整機制造產業(yè)，括計算機、通信設備制造和視聽產業(yè)，仍具有較強的國際競爭力，而外鄉(xiāng)的元器件研發(fā)產業(yè)在全球所占的份額那么十分有限。這一格局在客觀上反映

20、了國內的企業(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，中國電子產業(yè)的根底研發(fā)能力大而不強。 基于以上原因，國內在可編程邏輯器件領域尚處于起步階段，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 芯片設計，尤其是商業(yè)化fpga 芯片中邏輯電路的正向前端設計與研究尚未有成功先例。 目前國內系統(tǒng)整機使用的 fpga 器件全部依靠進口，被國外公司壟斷，且進貨渠道狹窄，產品價格昂貴。國內在可編程邏輯器件領域還處于起步階段，國內多家研制單位作了大量根底性的工作，并取得了階段性的科研成果，為軍用可編程邏輯器件的開展奠定了堅實的

21、技術根底，下面將展開介紹。 1）華微電子系統(tǒng) 華微電子成立之初就確立公司開展的專業(yè)方向可編程邏輯器件，多年來進行了系統(tǒng)的、深入的、專業(yè)化的研究，并在技術上取得了重大突破。兼容 xilinxxc9500 系列的復雜可編程邏輯器件“hwd14xx 系列 cpld”通過了設計定型，技術國內領先、填補空白。掌握了可編程邏輯器件的設計方法和總結出可編程邏輯器件的一套完整設計流程，掌握復雜可編程邏輯器件內嵌 flash 陣列的設計方法。 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

22、 863 國家高技術研究開展方案的支持，并順利通過驗收。華微公司百萬門級 fpga 芯片設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、配套軟件及應用開發(fā)系統(tǒng)級平臺。 以上根底研究和型譜研發(fā)工作的開展，為百萬門級 fpga 的預先研究打下了堅實的根底。 2）復旦微電子公司 復旦微電子采用 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權的研究成果；取得 863 國家高技術研究開展方案的支持。 3）西安電子科技大學微電子研究所。 第三章：a fpga 與生產廠家 第一節(jié) fpga 與 xilinx xilinx 公司成立于 1984 年，xili

23、nx 首創(chuàng)了現(xiàn)場可編程邏輯陣列（fpga）這一創(chuàng)新性的技術，并于 1985 年首次推出商業(yè)化產品。目前 xilinx 滿足了全世界對 fpga 產品一半以上的需求。xilinx 公司的 fpga 器件具有十分突出的特色：基于 sram 架構，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

24、供系統(tǒng)的解決方案，功能更加強大等。 xilinx 于 xx 年又推出了其最新系列的產品 virtex -5 系列，該系列提供 fpga 市場中最新最強大的功能。virtex-5 系列采用第二代 asmbl （高級硅片組合模塊）列式架構，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計的需求。該系列主要由 lx、lxt、sxt 和 fxt 四個平臺構成，其中virtex-5 lx 是針對高性能通用邏輯應用，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

25、理應用，virtex-5fxt 是針對高性能嵌入式系統(tǒng)。 xilinx 公司典型代表產品是 virtex 系列架構的 fpga，其結構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，以滿足功能更復雜更強大的設計需求。 xilinx 公司 fpga 是基于查找表 lut 結構的，可配置邏輯塊 clb 中還包含了功能強大的組合和時序邏輯，能根據(jù)不同的應用需要實現(xiàn)多種組合與時序邏輯功能。每個 clb 包括 2 個重復的邏輯單元，邏輯單元結構在下述章節(jié)會有詳細介紹。每個邏輯單元由 2 個 4 輸入的 lut，來完成根本的邏輯功能，以及作為分布式 ram，實現(xiàn)小規(guī)

26、模的存儲，2 個可配置的觸發(fā)器來完成相關的時序電路。另外，電路還附加了一些特殊的資源，如進位鏈，用來實現(xiàn)高速的運算功能。 除了最先進的高性能邏輯架構，virtex-5 fpga 還包含多種硬 ip 系統(tǒng)級模塊，包括強大的 36kb block ram/fifo、第二代 25 x 18 dsp slice、帶有內置數(shù)控阻抗的 selectio 技術、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 ex

27、press 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計人員能夠在其基于 fpga 的系統(tǒng)中表達最高檔次的性能和功能。 virtex-5 fpga 以最先進的 65nm，12 層金屬的銅工藝技術為根底，芯片內核電壓為 1v，是定制 asic 技術的可編程替代方案。大多數(shù)高級系統(tǒng)設計都需要 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正確解決方案，以滿足高性能邏輯設計人員、高性能 dsp 設計人員和高性能嵌入式系統(tǒng)設計人員 的需求。virtex-5 lxt、sxt 和 fxt 平臺具有先進的高速串行連

28、接功能和鏈路/事務層功能。強大的時鐘管理模塊(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。 在該產品系列中，只有 lx 平臺沒有 rocket i/o gtp 收發(fā)器、pice 端 點模塊和以太網(wǎng) mac 模塊。芯片內部最高工作頻率可到達 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)設計公司。altera 是復雜可編程邏輯器件（cpld）的創(chuàng)造者，該公司于 1988 年在 n

29、asdaq 掛牌（altr），進入 90 年代以后，altera 更成為開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，產品應用范圍廣。除了早期型號 flex 系列沒有內嵌存儲器之外，后來的系列都內嵌了存儲邏輯塊，局部高端產品還嵌入 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，flex6000 和 flex10k 已經(jīng)較少使用，根本被 acex1k 和cyclone 取代，目前 acex、apex、cyc

30、lone 和 stratix 系列為該公司的 主流產品。 圖 3 altera flex8000 fpga 架構 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，比擬流行的 hdl 主要有 verilog hdl、vhdl、abelhdl和 ahdl 等。其中 vhdl 和 verilog hdl 因適合標準化的開展方向而最終成為 ieee標準。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 語言的編程根底，一般經(jīng)過 2 到 3 個月的認真學習和實際操作就能掌握這種設計技。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 專用的設計語言，有些東西在 fpga 中并等不到應用，也就是說 fpga 應用的 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