FPGA技術(shù)調(diào)研報(bào)告

1、fpga技術(shù)調(diào)研報(bào)告 a fpga 技術(shù)調(diào)研報(bào)告 認(rèn)識(shí)比擬全方位的 fpga 目錄 第一章：概述 · ········································

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

3、;·················1 第二節(jié) fpga 的結(jié)構(gòu)概述 ······························

4、·················1 第二章：a fpga 與各國(guó) 開(kāi)展 ·····························

5、3;·················2 第一節(jié) fpga 與國(guó)外開(kāi)展 ······························

6、;·················2 第二節(jié) fpga 與中國(guó)開(kāi)展 ······························

7、·················2 第三章：a fpga 與生產(chǎn)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(kāi)發(fā)語(yǔ)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(jié) ··························

14、83;········································6 參考文獻(xiàn) ········&#

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

16、183;····7 第一章：概述 第一節(jié) fpga 的開(kāi)展概述 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 fpga（field programmable gate array）是 20 世紀(jì) 80年代中期又沒(méi)過(guò) xilinx 公司首先推出來(lái)的。隨著半導(dǎo)體加工工藝的不斷開(kāi)展，fpga 在結(jié)構(gòu)、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(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)方法學(xué)和自動(dòng)化設(shè)計(jì)工具也得到迅速開(kāi)展。 簡(jiǎn)單的講，現(xiàn)場(chǎng)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?，F(xiàn)場(chǎng)可編程是指設(shè)計(jì)人員

17、可以通過(guò)在工作現(xiàn)場(chǎng)完成對(duì)這些邏輯塊和連線的配置，以實(shí)現(xiàn)或改變復(fù)雜的電子系統(tǒng)的功能。為了對(duì) fpga 有一個(gè)較全面的認(rèn)識(shí)，我們簡(jiǎn)要回憶一下 fpga 開(kāi)展相關(guān)的技術(shù)如圖 1 所示，圖紙的白色區(qū)域表示以開(kāi)始研究該技術(shù)的時(shí)間，但是由于種種原因沒(méi)有得到很好的推廣。 圖 1 fpga 技術(shù)開(kāi)展過(guò)程 第二節(jié) fpga 的結(jié)構(gòu)概述 每一個(gè) fpga 生產(chǎn)廠斗毆自己的 fpga 體系結(jié)構(gòu)，但是所有廠家的 fpga 機(jī)構(gòu)中都包含了如圖 2 所示的三個(gè)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(gè)時(shí)鐘電路用于驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘信號(hào)到每個(gè) clb 中的觸發(fā)器，還有一些其

18、他邏輯資源如存儲(chǔ)器、譯碼器等。隨著 fpga 的開(kāi)展，各個(gè)廠家所提供的資源越來(lái)越豐富，如數(shù)字信號(hào)處理器 dsp、鎖相環(huán) pll等。 圖 2 fpga 的結(jié)構(gòu) 第二章：a fpga 與各國(guó)開(kāi)展 第一節(jié) fpga 與國(guó)外開(kāi)展 國(guó)外的 fpga 的設(shè)計(jì)技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)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(gè)系列品種，芯片集成度已到達(dá)上百萬(wàn)門，并廣泛應(yīng)用于通信、航天、航空、導(dǎo)航、遙感、遙測(cè)、程控交換機(jī)等軍、民用領(lǐng)域。目前，國(guó)內(nèi)外可編程邏輯器件被美國(guó)幾家著名大公司所壟斷。其技術(shù)經(jīng)過(guò)近二十年的經(jīng)驗(yàn)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(wàn)門級(jí)。各公司在宇航和軍用電子元器件的開(kāi)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(shè)計(jì)公司是全球領(lǐng)先的可編程邏輯完整解決方案的供給商。 具體 xilinx、altera 生產(chǎn)廠家情況會(huì)在第三章介紹。 第二節(jié) fpga 與國(guó)內(nèi)開(kāi)展 由于中國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)受到產(chǎn)業(yè)高速增長(zhǎng)與核心技術(shù)長(zhǎng)期受制國(guó)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 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(xiàn)，中國(guó)的整機(jī)制造產(chǎn)業(yè)，括計(jì)算機(jī)、通信設(shè)備制造和視聽(tīng)產(chǎn)業(yè)，仍具有較強(qiáng)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，而外鄉(xiāng)的元器件研發(fā)產(chǎn)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(guó)內(nèi)的企業(yè)與科研院所尚不具備與跨國(guó)公司開(kāi)展全面競(jìng)爭(zhēng)，中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)仍處于加工組裝階段的現(xiàn)實(shí)。因此，從某種意義上來(lái)講，中國(guó)電子產(chǎn)業(yè)的根底研發(fā)能力大而不強(qiáng)。 基于以上原因，國(guó)內(nèi)在可編程邏輯器件領(lǐng)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(duì)于實(shí)際的 fpga 芯片設(shè)計(jì)，尤其是商業(yè)化fpga 芯片中邏輯電路的正向前端設(shè)計(jì)與研究尚未有成功先例。 目前國(guó)內(nèi)系統(tǒng)整機(jī)使用的 fpga 器件全部依靠進(jìn)口，被國(guó)外公司壟斷，且進(jìn)貨渠道狹窄，產(chǎn)品價(jià)格昂貴。國(guó)內(nèi)在可編程邏輯器件領(lǐng)域還處于起步階段，國(guó)內(nèi)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(kāi)展奠定了堅(jiān)實(shí)的

21、技術(shù)根底，下面將展開(kāi)介紹。 1）華微電子系統(tǒng) 華微電子成立之初就確立公司開(kāi)展的專業(yè)方向可編程邏輯器件，多年來(lái)進(jìn)行了系統(tǒng)的、深入的、專業(yè)化的研究，并在技術(shù)上取得了重大突破。兼容 xilinxxc9500 系列的復(fù)雜可編程邏輯器件“hwd14xx 系列 cpld”通過(guò)了設(shè)計(jì)定型，技術(shù)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、填補(bǔ)空白。掌握了可編程邏輯器件的設(shè)計(jì)方法和總結(jié)出可編程邏輯器件的一套完整設(shè)計(jì)流程，掌握復(fù)雜可編程邏輯器件內(nèi)嵌 flash 陣列的設(shè)計(jì)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(kāi)發(fā)”得到

22、 863 國(guó)家高技術(shù)研究開(kāi)展方案的支持，并順利通過(guò)驗(yàn)收。華微公司百萬(wàn)門級(jí) fpga 芯片設(shè)計(jì)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(yīng)用開(kāi)發(fā)系統(tǒng)級(jí)平臺(tái)。 以上根底研究和型譜研發(fā)工作的開(kāi)展，為百萬(wàn)門級(jí) fpga 的預(yù)先研究打下了堅(jiān)實(shí)的根底。 2）復(fù)旦微電子公司 復(fù)旦微電子采用 0.35um 工藝，研發(fā) 10 萬(wàn)門規(guī)模器件及軟件系統(tǒng)原型；取得多項(xiàng)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的研究成果；取得 863 國(guó)家高技術(shù)研究開(kāi)展方案的支持。 3）西安電子科技大學(xué)微電子研究所。 第三章：a fpga 與生產(chǎn)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(chǎng)可編程邏輯陣列（fpga）這一創(chuàng)新性的技術(shù)，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(duì) 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(gòu)，可“無(wú)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(shí)鐘管理系統(tǒng)，可提供靈活精確的時(shí)鐘信號(hào)；versa-ring 提供了 iob 與 clb 的連接，可以更便利的實(shí)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 fx 嵌入了處理器，提

24、供系統(tǒng)的解決方案，功能更加強(qiáng)大等。 xilinx 于 xx 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(chǎng)中最新最強(qiáng)大的功能。virtex-5 系列采用第二代 asmbl （高級(jí)硅片組合模塊）列式架構(gòu)，包含四種截然不同的平臺(tái)（子系列），比此前任何 fpga系列提供的選擇范圍都大。每種平臺(tái)都包含不同的功能配比，以滿足諸多高級(jí)邏輯設(shè)計(jì)的需求。該系列主要由 lx、lxt、sxt 和 fxt 四個(gè)平臺(tái)構(gòu)成，其中virtex-5 lx 是針對(duì)高性能通用邏輯應(yīng)用，virtex-5 lxt 是針對(duì)具有高級(jí)串行連接功能的高性能邏輯，virtex-5 sxt 是針對(duì)高性能信號(hào)處

25、理應(yīng)用，virtex-5fxt 是針對(duì)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(gòu)的 fpga，其結(jié)構(gòu)中嵌入了具有特定功能的功能單元，如塊 ram、時(shí)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(jì)需求。 xilinx 公司 fpga 是基于查找表 lut 結(jié)構(gòu)的，可配置邏輯塊 clb 中還包含了功能強(qiáng)大的組合和時(shí)序邏輯，能根據(jù)不同的應(yīng)用需要實(shí)現(xiàn)多種組合與時(shí)序邏輯功能。每個(gè) clb 包括 2 個(gè)重復(fù)的邏輯單元，邏輯單元結(jié)構(gòu)在下述章節(jié)會(huì)有詳細(xì)介紹。每個(gè)邏輯單元由 2 個(gè) 4 輸入的 lut，來(lái)完成根本的邏輯功能，以及作為分布式 ram，實(shí)現(xiàn)小規(guī)

26、模的存儲(chǔ)，2 個(gè)可配置的觸發(fā)器來(lái)完成相關(guān)的時(shí)序電路。另外，電路還附加了一些特殊的資源，如進(jìn)位鏈，用來(lái)實(shí)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-5 fpga 還包含多種硬 ip 系統(tǒng)級(jí)模塊，包括強(qiáng)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(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(shí)鐘管理器）和鎖相環(huán)（pll）時(shí)鐘發(fā)生器的增強(qiáng)型時(shí)鐘管理模塊以及高級(jí)配置選項(xiàng)。lxt 和 sxt 器件還包含針對(duì)增強(qiáng)型串行連接的電源優(yōu)化高速串行收發(fā)器模塊、一個(gè)符合 pci ex

27、press 的集成端點(diǎn)模塊和三態(tài)以太網(wǎng)mac（媒體訪問(wèn)控制器）。這些功能使高級(jí)邏輯設(shè)計(jì)人員能夠在其基于 fpga 的系統(tǒng)中表達(dá)最高檔次的性能和功能。 virtex-5 fpga 以最先進(jìn)的 65nm，12 層金屬的銅工藝技術(shù)為根底，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(jí)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)人員、高性能 dsp 設(shè)計(jì)人員和高性能嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員 的需求。virtex-5 lxt、sxt 和 fxt 平臺(tái)具有先進(jìn)的高速串行連

28、接功能和鏈路/事務(wù)層功能。強(qiáng)大的時(shí)鐘管理模塊(cmt)時(shí)鐘控制，具有零延緩慢沖、頻率綜合和時(shí)鐘相移功能的數(shù)字時(shí)鐘管理器模塊，具有輸入抖動(dòng)濾波、零延緩慢沖、頻率綜合和相位匹配時(shí)鐘分頻功能的 pll 模塊。 在該產(chǎn)品系列中，只有 lx 平臺(tái)沒(méi)有 rocket i/o gtp 收發(fā)器、pice 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 altera altera 公司于 1983 年 6 月在美國(guó) san jose 創(chuàng)立，也是一家提供可編程邏輯器件的專業(yè)設(shè)計(jì)公司。altera 是復(fù)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(jìn)入 90 年代以后，altera 更成為開(kāi)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(gè)系列。 altera 公司器件系列豐富，產(chǎn)品應(yīng)用范圍廣。除了早期型號(hào) flex 系列沒(méi)有內(nèi)嵌存儲(chǔ)器之外，后來(lái)的系列都內(nèi)嵌了存儲(chǔ)邏輯塊，局部高端產(chǎn)品還嵌入 dsp 或者 arm 微處理器。集成度、性價(jià)比都較高，其中以 cyclone 系列最突出。目前 flex8000 已停產(chǎn)，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(chǎn)品。 圖 3 altera flex8000 fpga 架構(gòu) 第四章：a fpga 與 開(kāi)發(fā)語(yǔ)言 第一節(jié) fpga 與 verilog 對(duì)于 fpga 開(kāi)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(biāo)準(zhǔn)化的開(kāi)展方向而最終成為 ieee標(biāo)準(zhǔn)。與 vhdl 相比 verilog hdl 有個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是：它是一種非容易掌握的硬件描述語(yǔ)言。只要有 c 語(yǔ)言的編程根底，一般經(jīng)過(guò) 2 到 3 個(gè)月的認(rèn)真學(xué)習(xí)和實(shí)際操作就能掌握這種設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)語(yǔ)言，有些東西在 fpga 中并等不到應(yīng)用，也就是說(shuō) fpga 應(yīng)用的 verilog 實(shí)際是 verilog 語(yǔ)法的一個(gè)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