FPGA技術調(diào)研報告參考模板

1、FPGA技術調(diào)研報告認識比較全方位的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的結構概述1第二章：FPGA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：FPGA與生產(chǎn)廠家3第一節(jié) FPGA與Xilinx3第二節(jié) FPGA與Altera5- 0 - / 10第四章：FPGA與開發(fā)語言6第一節(jié) FPGA與Verilog6第二節(jié) FPGA與VHDL6總結 6參考文獻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（Field Programmable Gate Array）是20世紀80年代中期又沒過Xilinx公司首先推出來

2、的。隨著半導體加工工藝的不斷發(fā)展，F(xiàn)PGA在結構、速度、工藝、集成度和性能等方面都有了極大的改進和提高，與之相對應的設計方法學和自動化設計工具也得到迅速發(fā)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。所謂的現(xiàn)場可編程是指設計人員可以通過在工作現(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，我們簡要回顧一下FPGA發(fā)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

3、術發(fā)展過程第二節(jié) FPGA的結構概述每一個FPGA生產(chǎn)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。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，還有一些其他邏輯資源如存儲器、譯碼器等。隨著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2 FPGA的結構第二章：FPGA與各國發(fā)展第一節(jié) FPGA與國外發(fā)展國外的 FPGA 的設計技術經(jīng)過多年的發(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，芯片集成度已達到上百

4、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(nèi)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。器件尺寸達到 65nm，規(guī)模達到千萬門級。各公司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應商。具體Xilinx、Altera生產(chǎn)廠家情況會在第三章介紹。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)高速增長與核心技術長期受制國外技術壁壘的雙重影響，出現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)規(guī)

5、模盲目擴大與產(chǎn)品效益低下并存，外資大量進入與本土大企業(yè)缺失并存的尷尬局面。由于外資的巨大貢獻，中國的整機制造產(chǎn)業(yè)，括計算機、通信設備制造和視聽產(chǎn)業(yè)，仍具有較強的國際競爭力，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映了國內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)業(yè)的基礎研發(fā)能力大而不強?；谝陨显?，國內(nèi)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

6、前國內(nèi)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(chǎn)品價格昂貴。國內(nèi)在可編程邏輯器件領域還處于起步階段，國內(nèi)多家研制單位作了大量基礎性的工作，并取得了階段性的科研成果，為軍用可編程邏輯器件的發(fā)展奠定了堅實的技術基礎，下面將展開介紹。1）華微電子系統(tǒng)有限公司華微電子成立之初就確立公司發(fā)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(nèi)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

7、完整設計流程，掌握復雜可編程邏輯器件內(nèi)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 863 國家高技術研究發(fā)展計劃的支持，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。以上基礎研究和型譜研發(fā)工作的開展，為百萬門級 FPGA 的預先研究打下了堅實的基礎。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

8、項具有自主知識產(chǎn)權的研究成果；取得 863 國家高技術研究發(fā)展計劃的支持。3）西安電子科技大學微電子研究所。西安電子科技大學微電子研究所基于 Xilinx 4000 的架構設計了一款可用系統(tǒng)門為 3 萬門的 FPGA 芯片，并在布線算法方面取得了一定的研究成果。另外，國內(nèi)其他研究院所也作了大量的基礎工作。但是到目前為止，國內(nèi)的FPGA 芯片設計仍然主要集中在 3 萬10 萬系統(tǒng)可用門數(shù)的學術性芯片研究設計方面，尚無能夠真正符合工業(yè)、商業(yè)應用需求的成熟產(chǎn)品出現(xiàn)，尤其是沒有能形成系列產(chǎn)品開發(fā)的 IP 核實現(xiàn)的芯片出現(xiàn)。第三章：FPGA與生產(chǎn)廠家第一節(jié) FPGA與XilinxXilinx 公司成立于

9、 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，并于 1985 年首次推出商業(yè)化產(chǎn)品。目前 Xilinx 滿足了全世界對FPGA 產(chǎn)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(chǎn)品如 VIRTEX-II Pro、VIRTEX-II Pro X 嵌入了微處理器和專用乘法器，VIRTEX4 F

10、X 嵌入了處理器，提供系統(tǒng)的解決方案，功能更加強大等。Xilinx 于 2006 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

11、 是針對高性能信號處理應用，VIRTEX-5FXT 是針對高性能嵌入式系統(tǒng)。Xilinx 公司典型代表產(chǎn)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，來完成基本的邏輯功能，以及作為分布式R

12、AM，實現(xiàn)小規(guī)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(nèi)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 PC

13、I Express 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)中體現(xiàn)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基礎，芯片內(nèi)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佳解決方案，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

14、連接功能和鏈路/事務層功能。強大的時鐘管理模塊(CMT)時鐘控制，具有零延遲緩沖、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、零延遲緩沖、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 Rocket I/O GTP 收發(fā)器、PICE 端點模塊和以太網(wǎng) MAC 模塊。芯片內(nèi)部最高工作頻率可達到550M。第二節(jié) FPGA與AlteraALTERA 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）的發(fā)明者，該公司于 1988 年在 NASDAQ

15、掛牌（ALTR），進入 90 年代以后，ALTERA 更成為發(fā)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(chǎn)品應用范圍廣。除了早期型號 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 STR

16、ATIX 系列為該公司的主流產(chǎn)品。ALTERA 公司的典型產(chǎn)品 FLEX8000 系列架構 FPGA 有三層結構，F(xiàn)LEX8000器件的架構見圖3。其最底層也是基于查找表結構的。應該注意到的是 FLEX8000系列是 FPGA 和 CPLD 技術結合的產(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約 4000 門到超過 15000 門?；具壿嬆K又稱為邏輯單元（IE）包括有一個四端輸入的 LUT、一個觸發(fā)器和對算法運算電路有特殊用途的進位電路（相似于Xilinx XC4000）。圖3 Altera F

17、LEX8000 FPGA 架構第四章：FPGA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主要有Verilog HDL、VHDL、ABELHDL和AHDL等。其中VHDL和Verilog HDL因適合標準化的發(fā)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語言的編程基礎，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

18、Verilog實際是Verilog語法的一個子集。第二節(jié) FPGA與VHDLVHDL是Very high speed integrated circuit Hardware Description Language的縮寫，即超高速集成電路的硬件描述語言。由于半導體編程技術的快速進步4 VHDL所能提供高階電路描述語言的表達式讓復雜的電路可以通過VHDL編輯器的電路方式，輕易而且快速地達到設計的規(guī)格，VHDL電路描述語言所能涵蓋的范圍相當廣，能適用于各種不同階層的設計工程師的需求，從ASIC的設計到PCB系統(tǒng)的設計，VHDL電路描述語言都能派上用場， 所以VHDL電路設計毫無疑問地成為硬件設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同，它代表的是門陣列的動作狀態(tài)，所以在編寫VHDL程序時，不但有它本身的語法，而且最為重要的是邏輯電路動作的精確問題。這也是硬件設計工程師最為頭疼的問題，因為邏輯電路的誤動作