FPGA技術(shù)調(diào)研報告

FPGA技術(shù)調(diào)研報告**微電子學(xué)與固體電子學(xué)********一FPGA發(fā)展現(xiàn)實狀況當(dāng)今社會是數(shù)字化的社會，是數(shù)字集成電路廣泛應(yīng)用的社會，數(shù)字集成電路自身在不停地進(jìn)行更新?lián)Q代。它由初期的電子管、晶體管、小中規(guī)模集成電路，發(fā)展到超大規(guī)模集成電路(VLSI，幾萬門以上)以及許多具有特定功能的專用集成電路。不過，伴隨微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計與制造集成電路的任務(wù)已不完全由半導(dǎo)體廠商來獨立承擔(dān)。系統(tǒng)設(shè)計師們更樂意自己設(shè)計專用集成電路(ASIC)芯片，并且但愿ASIC的設(shè)計周期盡量短，最佳是在試驗室里就能設(shè)計出合適的ASIC芯片，并且立即投入實際應(yīng)用之中，因而出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPLD)，其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)。大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷﨏PDL和FPGA是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的兩類可編程專用集成電路，電子設(shè)計工程師運用它可以在辦公室或試驗室里設(shè)計出所需的專用集成電路，從而大大縮短產(chǎn)品的上市時間，減少了開發(fā)成本。此外，可編程邏輯器件還具有靜態(tài)可反復(fù)編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以象軟件同樣通過編程來修改，這樣就極大的提高了電子系統(tǒng)設(shè)計的靈活性和通用性。由于具有上述兩方面的特點，CPLD和FPGA受到了世界范圍內(nèi)廣大電子設(shè)計工程師們的普遍歡迎，應(yīng)用日益廣泛。目前已經(jīng)有單片可用門數(shù)超過數(shù)百萬門、工作頻率可達(dá)500姍z以上的可編程ASIC芯片問世，由于工藝和構(gòu)造的不停改善，可編程ASIC芯片上包括的資源越來越豐富，可實現(xiàn)的功能越來越強(qiáng)，他們已成為當(dāng)今實現(xiàn)電子系統(tǒng)集成化的重要手段?，F(xiàn)代FPGA/CPLD的長處可歸納如下:1)高速;2)高可靠性;3)編程簡便;4)易學(xué)易用;5)開發(fā)周期短;6)保密性能好;7)系統(tǒng)易維護(hù)、易升級。二FPGA應(yīng)用研究的必要性和現(xiàn)實意義伴隨微電子技術(shù)的飛速進(jìn)步，電子學(xué)進(jìn)入了一種嶄新的時代，其特性是電子技術(shù)的應(yīng)用正以空前規(guī)模和速度滲透到各行各業(yè)?，F(xiàn)場可編程器件的廣泛應(yīng)用，為各行業(yè)的電子系統(tǒng)設(shè)計工程師自行開發(fā)本行業(yè)專用的ASIC提供了技術(shù)和物質(zhì)條件。FPGA器件作為當(dāng)今電子設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的可編程器件之一，其原因是多方面的，F(xiàn)PGA器件高集成度、可現(xiàn)場修改、開發(fā)周期短等長處滿足了參軍用到民用、從高端到低端的大多數(shù)電子設(shè)計領(lǐng)域的需求。而FPGA器件從出現(xiàn)至今只有短短二十年的發(fā)展歷史，有諸多電子設(shè)計工程師以至FPGA產(chǎn)品的顧客對這一器件的特性、優(yōu)勢還不是非常理解，部分有經(jīng)驗的設(shè)計師仍然習(xí)慣于用單片機(jī)等老式工具從事電路設(shè)計，這樣就影響了電子產(chǎn)品的市場競爭力，也忽視了產(chǎn)品的升級空間。因此，十分有必要對FPGA這一族器件進(jìn)行全面細(xì)致的分析研究，從而更好地運用FPGA的優(yōu)勢為電子設(shè)計服務(wù)。FPGA應(yīng)用研究對PDL企業(yè)來說是一件與研發(fā)生產(chǎn)同等重要的大事，理解自己的FPGA產(chǎn)品與其他產(chǎn)品的差距、在市場的位置、在消費者中的口碑，才能不停研制出更有競爭力的FPGA產(chǎn)品:FPGA應(yīng)用研究對科研工作者的作用也是顯而易見的，伴隨科研項目的大型化、復(fù)雜化、市場化，所需要的工具也要具有高速處理大量數(shù)據(jù)的能力，并且FPGA的可反復(fù)編程和易維護(hù)易升級的特點尤其適于在試驗室中使用，進(jìn)行FPGA應(yīng)用研究可以令科研工作事半功倍;FPGA應(yīng)用研究對廣大個人顧客更是必要，由于FPGA的最大長處是能進(jìn)行設(shè)計調(diào)整而滿足產(chǎn)品升級，因此用它計的便攜產(chǎn)品雖然已經(jīng)發(fā)貨，仍可在現(xiàn)場升級或修改，顧客為了更好的使用FPGA器件也有必要進(jìn)行FPGA應(yīng)用研究。FGPA與老式的構(gòu)造化ASIC相比，雖然一種構(gòu)造化ASIC設(shè)計進(jìn)行得非常完美，但目的市場也會變化，或者原則會更新。在這種狀況下，不靈活性會帶來訂貨和庫存風(fēng)險，庫存和NRE成本就被揮霍了。此外，PI供應(yīng)商、EAD廠商等很難支持構(gòu)造化ASIC的發(fā)展。而FPGA可以輕易地進(jìn)行重新編程來適應(yīng)新的規(guī)定，或者FPGA庫存可以重新應(yīng)用于另一種項目?？梢韵嘈牛瑫性絹碓蕉嗟碾娮釉O(shè)計工程師傾向于在IC處理方案中采用可編程邏輯器件。可編程邏輯實際上正在成為市場的主流，并且在不停尋求原先從未應(yīng)用過的新市場。三FPGA與開發(fā)語言對于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。 VHDL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，不僅有它自身的語法，并且最為重要的是邏輯電路動作的精確問題。這也是硬件設(shè)計工程師最為頭疼的問題，由于邏輯電路的誤動作很也許導(dǎo)致整個系統(tǒng)的癱瘓！四FPGA的應(yīng)用FPGA的應(yīng)用可分為三個層面：電路設(shè)計,產(chǎn)品設(shè)計,系統(tǒng)設(shè)計。1．電路設(shè)計中FPGA的應(yīng)用連接邏輯,控制邏輯是FPGA初期發(fā)揮作用比較大的領(lǐng)域也是FPGA應(yīng)用的基石。實際上在電路設(shè)計中應(yīng)用FPGA的難度還是比較大的這規(guī)定開發(fā)者要具有對應(yīng)的硬件知識（電路知識）和軟件應(yīng)用能力（開發(fā)工具），這方面的人才總是緊缺的,往往都從事新技術(shù),新產(chǎn)品的開發(fā)成功的產(chǎn)品將變成市場主流基礎(chǔ)產(chǎn)品供產(chǎn)品設(shè)計者應(yīng)用在不遠(yuǎn)的未來,通用和專用IP的設(shè)計將成為一種熱門行業(yè)!搞電路設(shè)計的前提是必須要具有一定的硬件知識。2．產(chǎn)品設(shè)計把相對成熟的技術(shù)應(yīng)用到某些特定領(lǐng)域如通訊,視頻,信息處理等等開發(fā)出滿足行業(yè)需要并能被行業(yè)客戶接受的產(chǎn)品這方面重要是FPGA技術(shù)和專業(yè)技術(shù)的結(jié)合問題,此外尚有就是與專業(yè)客戶的界面問題產(chǎn)品設(shè)計還包括專業(yè)工具類產(chǎn)品及民用產(chǎn)品,前者重點在性能,后者對價格敏感產(chǎn)品設(shè)計以實現(xiàn)產(chǎn)品功能為重要目的,FPGA技術(shù)是一種實現(xiàn)手段在這個領(lǐng)域,FPGA由于具有接口,控制,功能IP,內(nèi)嵌CPU等特點有條件實現(xiàn)一種構(gòu)造簡樸,固化程度高,功能全面的系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計將是FPGA技術(shù)應(yīng)用最廣大的市場,具有極大的爆發(fā)性的需求空間產(chǎn)品設(shè)計對技術(shù)人員的規(guī)定比較高,路途也比較漫長不過目前整個行業(yè)正處在組建＂首發(fā)團(tuán)體＂的狀態(tài),只要加入,前途光明產(chǎn)品設(shè)計是一種職業(yè)發(fā)展方向定位,不是簡樸的愛好就能做到的!產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域會造就大量的企業(yè)和企業(yè)家,是一種近期的發(fā)展熱點和機(jī)遇。3．系統(tǒng)級應(yīng)用系統(tǒng)級的應(yīng)用是FPGA與老式的計算機(jī)技術(shù)結(jié)合,實現(xiàn)一種FPGA版的計算機(jī)系統(tǒng)如用XilinxV-4,V-5系列的FPGA,實現(xiàn)內(nèi)嵌POWERPCCPU,然后再配合多種外圍功能,實現(xiàn)一種基本環(huán)境,在這個平臺上跑LINIX等系統(tǒng)這個系統(tǒng)也就支持多種原則外設(shè)和功能接口（如圖象接口）了這對于迅速構(gòu)成FPGA大型系統(tǒng)來講是很有協(xié)助的。這種＂山寨＂味很濃的系統(tǒng)初期優(yōu)勢不一定很明顯,類似ARM系統(tǒng)的境況但若能慢慢發(fā)揮出FPGA的優(yōu)勢,逐漸實現(xiàn)某些特色系統(tǒng)也是一種發(fā)展方向。FPGA不停向高集成度、大容量、高速、低功耗、低價位的方向發(fā)展，目前最高水平的FPGA已采用65nm、11層銅布線，規(guī)模已到達(dá)330000個邏輯單元（可編程邏輯門約660萬門）和1200個顧客I/O，速度已到達(dá)550MHz。F