FPGA入门级介绍

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FPGA入门级介绍

       FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中 的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA（现场可编程门阵列）是专用集成电路（ASIC）中集成度最高的一种，用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的逻辑，因而也被用于对CPU的模拟。用户对FPGA的编程数据放在Flash芯片中，通过上电加载到FPGA中，对其进行初始化。也可在线对其编程，实现系统在线重构，这一特性可以构建一个根据计算任务不同而实时定制的CPU，这是当今研究的热门领域。
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　　和其他可编程逻辑器件一样，FPGA也由未完成的逻辑阵列所组成，通过将这些逻辑阵列连接到一起来完成一定的功能。像PAL一样，各个阵列单元之间的互连续是可以编程的。下面介绍FPGA的发展过程。

　

　1985年，Xilinx公司推出了世界上第一款FPGA。推出的这款FPGA包括两个器件和支持市局布线的设计工具。FPGA的发展非常快，在不到10年的时间里，时钟频率就从不到10MHz提高到100MHz.设计规则已经达到亚微米级别，FPGA芯片的规模也从几千门增加到2万多等效门。大量功能强大易用的软件工具也相继推出，使得FPGA很快占领了电子设计领域很大的一块市场。

" E/ I+ A; l' e1 }# A# H: V　　20世纪80年代推出的FPGA可以说是Intel公司于1971年推出第一款商用微处理器的延续。那个时期，典型的微处理器系统包含微处理器、存储器和一些特殊功能的中小规模（MSI/SSI）器件。为追求更佳的件能、更小的尺寸、更低的成本、更快的错误恢复能力、高可靠性以及更快更易使用的原型，集成电路的设计者都意识到一定会有一种器件要取代当时的中小规模电路。这个概念的第一个尝试是Signetics公司于1975年推出的83S100 FPLA（现场可编程逻辑阵列）。这款可编程器件实际上是一款PLA结构的器件。它由16个输人、48个乘积项与阵列、8个输出、48个乘积项或阵列构成，通过Ni-Cr熔丝实现连续的断开或连接。这种方法在以降低速度和增加功耗为代价的前提下，给了设计师们很大的电路设计空间。但是这款可编程器件需要人工来设置熔丝的断或合，因此很复杂而且容易出错。
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　　鉴于当时各种可编程器件的速度、结构等都不能很好地满足巾场的需求，Xilinx于1985年推出了2000系列的FPGA.该系列的FPGA是世界上第一款基于SRAM的可编程FPGA，包括两个器件：第一个器件由8x8〔共64个）的可配置逻辑模块（CLB Configurable Logic Block）构成，并在芯片的周边提供了58个输入输出接口模块（IOB，I/O Block）；第二个器件出10xl0的CLB构成，并提供了总共74个IOB单元。自Xilinx推出第一款FPGA之后，世界上的其他公司也相继推出各自的FPGA品。如Actel推出很有特色的反熔丝（Anti-fused）FPGA.FPGA市场内的竞争也愈演愈烈，IC的制造商都意识到必须提供更加强大更易使用的新产品才能出有市场。在这种形势下，Xilinx在1987年就推出了它的第二款3000系列的FPGA，距第一款FPGA的推出只有2年的时间。也就是在那时，AT＆T成功地获得这款FPGA器件的设计使用权。并开始提供自己的芯片和开发系统，即AT＆T 3000系列FPGA.
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$ u2 _, h# a2 ~; r3 D0 W* W　　自从第二代FPGA问世以来，各种FPGA的应用开始层出不穷，电路复杂度也相继上升。这时，Xilinx就开始研制第三代FPGA产品，AT＆T也开始开发自己的下一代FPGA.Xilinx的第三代FPGA产品于1991年问世，而AT＆T的下一代产品育到1992年才研制成功。认识到FPGA市场潜在的广阔空间，很多IC和软件厂商也开始向FPGA领域进军，包括一些著名的公司，如Actel、AMD、A1tera、Intel、Mento Graphics、Texas Instruments以及Toshiba。

; d9 {  O+ i( q: L9 c　　Xilinx的成功不仅仅得益于它的硬件产品，软件也是很重要的一个砝码。更快、更智能、易用的原理图编辑、设计实现和验证工具始终都是Xilinx在FPGA领域内成功的一个法宝。
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+ @: s* O, ]' m　　为了能让不太熟悉FPGA的读者能够对FPGA有一个整体印象，这里以Xilinx 4000系列的FPGA为例简单说明它的设汁能力。XC4025包含大约1024个CLB，它们按32x32的矩阵形式排列在FPGA芯片里，这相当于25 000个等效门。这款FPGA包含422Kbit的RAM，主要用于编程。一个CLB的运行频率可达250MHz，但如果将互连线网络引入的延迟以及像加法器这样更复杂的逻辑考虑进去，还可以获得20-50MHz的时钟频率。直观地讲，加法器这样的逻辑是由大量的CLB来构成的，例如个32bit的加法器要用掉62个CLB。

　　FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有：

· 采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

· FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

· FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。

· FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

· FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容

　　可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前FPGA的品种很多，有Xilinx的XC系列、Altera公司的FIEX系列等。
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　　FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

　　加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因 此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一 片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。
- F$ R1 `, I" W, Z3 \FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。

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