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�(xiàn)場可編程門陣列
閱讀�5719時間�2011-03-21 22:39:40

  �(xiàn)場可編程門陣列(field-programmable gate array�FPGA)是一�可編程邏輯器�,由成千上萬個完全相同的可編程邏輯單元組�,周圍是輸入/輸出單元構成的外設�它采用計算機輔助設計技術進行器件的開�(fā)與設�,其優(yōu)越性大大超過普通TTL集成門�制造完成后,F(xiàn)PGA可以在工作現(xiàn)場編程,以便實現(xiàn)特定的設計功��

概述

  FPGA是上世紀80年代末開始使用的大規(guī)??删幊虜?shù)字集成電路器件。它是在PAL、GAL、PLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產物。它是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路而出�(xiàn)�,既解決了定制電路的不足,又克服了原有可編程器件門電路�(shù)有限的缺�。它充分利用計算機輔助設計技術進行器件的開�(fā)與應用。用戶借助于計算機不僅能自行設計專用集成電路芯�,還可在計算機上進行功能仿真和實時仿�,及時發(fā)�(xiàn)問題,調整電�,改進設計方�。這樣,設計者不必動手搭接電路、調試驗�,只須在計算機上操作很短的時間,即可設計出與實際系統(tǒng)相差無幾的理想電�。而且,F(xiàn)PGA器件采用標準化結�,體積小、集成度�、功耗低、速度�,可無限次反復編程,因此,成為科研產品開�(fā)及其小型化的器件,其應用極為廣泛�
  目前FPGA的品種很�,有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列��
  FPGA是由存放在片內RAM中的程序來設置其工作狀�(tài)的,因此,工作時需要對片內的RAM進行編程。用戶可以根�(jù)不同的配置模式,采用不同的編程方��
  加電�,F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)�(jù)讀入片內編程RAM�,配置完成后,F(xiàn)PGA進入工作狀�(tài)。掉電后,F(xiàn)PGA恢復成白�,內部邏輯關系消失,因此,F(xiàn)PGA能夠反復使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器,只須用通用的EPROM、PROM編程器即�。當需要修改FPGA功能�,只需換一片EPROM即可。這樣,同一片F(xiàn)PGA,不同的編程�(shù)�(jù),可以產生不同的電路功能。因�,F(xiàn)PGA的使用非常靈活�
  FPGA有多種配置模式:并行主模式為一片F(xiàn)PGA加一片EPROM的方式;主從模式可以支持一片PROM編程多片F(xiàn)PGA;串行模式可以采用串行PROM編程FPGA;外設模式可以將FPGA作為微處理器的外�,由微處理器對其編程�

基本特點

  FPGA采用了邏輯單元陣列LCA(Logic Cell Array)這樣一個新概念,內部包括可配置邏輯模塊CLB(Configurable Logic Block�、輸出輸入模塊IOB(Input Output Block)和內部連線(Interconnect)三個部�。FPGA的基本特點主要有�
  1)采用FPGA設計ASIC電路,用戶不需要投片生�,就能得到合用的芯片� --2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣��
  3)FPGA內部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳�
  4)FPGA是ASIC電路中設計周期最�、開�(fā)費用、風險最小的器件之一�
  5) FPGA采用高速CHMOS工藝,功耗低,可以與CMOS、TTL電平兼容�
  可以說,F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成�、可靠性的選擇之一�
  

設計輸入、實�(xiàn)及驗�

  設計輸入是將要實�(xiàn)的邏輯關系以開發(fā)系統(tǒng)所支持的方式輸入計算機,這是設計FPGA的開�。有多種方法實現(xiàn)設計輸入,最常用的是原理圖編輯器。它允許�2種方式進行設計輸入�
  1)圖形輸入這種輸入方式允許使用元件庫中提供的各種常�(guī)門電路及邏輯部�(宏單�)設計電路,并以原理圖的方式輸��
  2)文本輸入這種輸入方式允許使用可編程邏輯設計語言,如VHDL,ABEL、CUPL語言等編寫輸入文�,也允許直接用布爾方程進行輸入�
  設計輸入的目的是要產生一個XNF(Xilinx Netlist Format)文件,這是設計實現(xiàn)和設計驗證的輸入文件。如果同時采用圖形輸入和文本輸入,則還需要進行歸并(XNFMERGE)處理,以產生一個完整的XNF文件�
  設計實現(xiàn)是設計開�(fā)過程的核�,其主要任務是對歸并后的XNF文件進行分割、布局和布線。分割是把XNF文件中的邏輯設計經過化簡,分割成為以CLB及I/OB為基本單元的邏輯設計。布局是把分割后的邏輯設計分配到FPGA的相應CLB及I/OB位置。布線是對已布局好的CLB,I/OB進行連線。Xilinx開發(fā)軟件具有自動布局、布線功能,它能在布局、布線過程中采用一系列�(yōu)化程�,找出布局、布線方�。設計實�(xiàn)的最終目的是產生符合設計要求的比特流文件。這是用來為FPGA芯片裝載的二進制文件�
  設計驗證主要是對電路進行仿真測試。仿真測試包括功能仿真和實時仿真。功能仿真假設信號通過每個邏輯門產生同樣的延遲時�(0.1ns),而通過路徑沒有延時。這種仿真可測試系�(tǒng)功能是否滿足設計要求。實時仿真是在布局布線后進行,它能按照所選器件的實際延遲時間進行模擬,主要用來驗證系�(tǒng)的時序關系�
  設計輸入、設計實�(xiàn)和設計驗證三個部分交替進行,得到完全滿足設計要求的二進制文件。用該文件通過加載電纜或編程EPROM對FPGA加載,即可得到用戶需要的專用集成電路芯片�

技術的�(fā)展趨�

  隨著微電子技�、EDA技術、以及應用系�(tǒng)需求的�(fā)�,F(xiàn)PGA正在逐漸成為�(shù)字系�(tǒng)開發(fā)的平臺,并將在以下方面繼�(xù)完善和提高:
 ?�?� 高集成度、大容量、低成本、低電壓、低功耗;
 ?�?� 資源多樣化;
 ?�?� 適用于片上系�(tǒng):處理器、高速串行I/O、DSP等等�
 ?�?� 深亞微米工藝的使用。目前基�90nm工藝的FPGA已經商用,正在向65nm挺��
  �5� 各種軟硬IP庫的�(fā)展和完善�
  �6� 動態(tài)可重構技術實用化�

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