FPGA_CPLD的发展与展望

1、陕西理工学院结课论文EDA技术结课论文FPGA技术及发展方向姓名：_郭阳_指导教师：_卢超_学号：_1110064081_所在学院：_物理与电信工程学院所在专业：_电子信息科学与技术论文完成时间：_2014-6-20_目录摘要.3一、 CPLD/FPGA简介3二、FPGA不断扩大的应用领域3三、FPGA的发展现状41、FPGA的硬件朝向大容量、低电压、低功耗发展42、系统级高密度FPGA43、第三方设计使FPGA更加方便53.1、Altium：System-On-FPGA方案53.2、Cadence：致力于验证53.3、Mentor：具备FPGA全流程方案54、FPGA和ASIC出现相互融合6

2、5、动态可重构FPGA6结论6参考文献6摘要：CPLD/FPGA的出现为EDA的快速发展做出了巨大的贡献。与传统单片机相比，CPLD/FPGA在高频电子设计上有突出的优势。CPLD/FPGA在很短的时间内得到了空前的发展，同时在电子市场上也得到了广泛的应用。通过对CPLD/FPGA当前现状的分析，可以为其未来的发展奠定基本方向。本篇文章得出CPLD/FPGA器件会向着大容量、低电压、低功耗的方向发展。于此同时IP库也在各大厂商的推动下将得到进一步的发展。另一方面，随着技术的发展，芯片的规模将越来越大，有取代ASIC的可能性。而最新的“动态可重构技术”也为系统设计方法的转变提供了条件。关键字：C

3、PLD/FPGA 技术现状 发展方向Abstract: The emergence of the CPLD/FPGA made great contribution to the rapid development of EDA. Compared with the traditional MCU, CPLD/FPGA has prominent advantages in high frequency electronic design. CPLD/FPGA in a very short period of time got unprecedented development, at th

4、e same time also has been widely used in the electronic market. Through the analysis of the current status of CPLD/FPGA, to lay the basic direction of future development. This article concludes that CPLD/FPGA device will toward the direction of large capacity, low voltage, low power consumption. At

5、the same time the IP library under the impetus of the major manufacturers will also get further development. , on the other hand, with the development of technology, the size of the chip will be bigger and bigger, have replaced the possibility of an ASIC. The latest dynamic reconfigurable technique

6、also provides conditions for the transition of the system design method.Key words: CPLD/FPGA technical state development direction一、 CPLD/FPGA简介 CPLD主要是由可编程逻辑宏单元（LMC，Logic Macro Cell）围绕中心的可编程互连矩阵单元组成，其中LMC逻辑结构较复杂，并具有复杂的I/O单元互连结构，可由用户根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于 CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测

7、性，避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。较常用的有Altera公司的CPLD。 FPGA通常包含三类可编程资源：可编程逻辑功能块、可编程I/O块和可编程互连。可编程逻辑功能块是实现用户功能的基本单元，它们通常排列成一个阵列，散布于整个芯片；可编程I/O块完成芯片上逻辑与外部封装脚的接口，常围绕着阵列排列于芯片四周；可编程内部互连包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关，它们将各个可编程逻辑块或I/O块连接起来，FPGA在可编程逻辑块的规模，内部互连线的结构和采用的可编程元件上存在较大的差异。FPGA一 般用于逻辑仿真。电路设计工程师设计一个电路首先要确定线路，然后进行软件模拟及优化，以

8、确认所设计电路的功能及性能。 随着电路规模的不断增大，电路频率的不断提高，将给电路引入许多分布参数的影响，而这些影响用软件方法较难进行仿真，所以有必要进行硬件仿真。FPGA就可以进行硬件仿真以做成模型机。将软件模拟后的路径下载到FPGA，就可容易的到一个模型机。从改模型机，设计者就可以很直观的测试其逻辑功能以及性能指标。二、FPGA不断扩大的应用领域据Gartner Dataquest在去年美国DAC(设计自动化年会)期间公布的数据，每年采用ASIC开始进行设计的数量在逐年下降，取而代之的是ASSP（特殊应用标准产品），由于深亚微米（DSM）制程以后，ASIC的开发成本不断上升，因此标准产品中

9、的FPGA是理想的选择之一。FPGA的应用领域不断扩大，未来，消费电子（例如HDTV、无线路由器）和汽车电子是所有应用中成长最快的。汽车行业一直在密切关注可编程逻辑器件（PLD），发掘PLD怎样帮助系统供应商和汽车制造商（原始设备生产商）获得成功。PLD凭借其较低的成本结构和较高的系统性能，进入了主流汽车市场。与ASSP解决方案不同，PLD所具有的灵活性在汽车行业中受到普遍欢迎。汽车图形处理汽车联网辅助驾驶音频处理 汽车行业一直在密切关注可编程逻辑器件（PLD），发掘PLD怎样帮助系统供应商和汽车制造商（原始设备生产商）获得成功。PLD已经在信息娱乐和通信市场上得到了广泛应用，新兴的汽车辅助驾

10、驶设计也采用了PLD。在这一领域中，某些应用发展非常迅速，包括道路偏离报警、夜视和胎压监控系统等。PLD具有较低的芯片成本结构、丰富的知识产权（IP）内核、参考设计以及较长的产品在市时间，是汽车电子市场发展的理想选择。广播、产品介绍、交付中心、DTV调制器、3G、SDI、DTV视频编码器、音频视频开发套件HD质量解决方案电视广播正在由模拟向数字转换，为广播设备生产商、电视广播公司和宽带服务提供商带来了新的商业机遇。而且，互联网协议电视(IPTV)和移动电视等新的节目内容传送方式也在不断发展中，并迅速开始实施。数字高清晰(HD)节目内容的普及使得HD电视机消费用户的数量创下了新记录。计算机存储发

11、展迅速。在传统的IT应用中，服务器和存储器直接互联，而现在已经进展为联网存储体系结构，即存储区域网(SAN)。SAN很容易实现存储扩展，以前受内部存储能力限制的服务器可以在现有条件以外扩容。除了容易扩展存储之外，服务器也发展到能够迅速高效地实现数据处理。三、FPGA的发展现状1、FPGA的硬件朝向大容量、低电压、低功耗发展FPGA已由当初的1200门发展成为今天的百万门级。通过不断更新优化产品架构和生产工艺,实现了更多的逻辑单元、更高的性能、更低的单位成本和功耗。通过电子行业的4项重要竞争准则：上市时间、成本、功能以及性能,可以分析出通过FPGA来开发产品的周期只是36个月，是ASIC的几分之

12、一，成本从目前公布的市场价格来看FPGA需要的成本仅仅是ASIC的几分之一、十几分之一、甚至几十分之一。FPGA可编程,灵活性高,已不在局限于原型设计,除了已知的结构化ASIC之外,还有ESP方案。该方案在标准FPGA的基础上把常用的标准IP核嵌入到芯片里,大大缩短了客户的开发时间,降低了验证成本。高集成度和灵活度从消费电子的发展来看,这个市场较之以前已经有了很大的不同。客户要求产品的更新换代的周期越来越短,并要求不断的集成更多的、层出不穷的、新的技术和应用,而且又要求严格控制成本。因此,FPGA在灵活性上就具备了天然的优势。而且,即便是厂商在用ASIC手段实现产品的时候,如果考虑到以后的升级

13、问题,则软件的兼容程度也是个不容忽略的问题。而如果采用FPGA就完全不需要考虑这方面的问题。用ASIC实现的专用芯片在性能上确实具备很强的优势,比如高性能、低功耗等。但与此同时, FPGA产品在这方面近几年也取得了显著的改进。现在FPGA的性能已经能够满足大多数应用的需要,而密度水平也达到了逻辑设计的80%。在某些领域已经完全可以替代ASIC。通过上述4个方面的比较,可以看出在上市时间、成本、高集成度和灵活度方面是FPGA明显占优。根据业界通用的标准判断,最适合使用ASIC的情况是：门和储存位的数量超过两百万门;千兆位连接数量较多;在最低功耗下,主时钟频率高于300MHz;对成本很敏感的应用。

14、但需要指出的是在不远的将来FPGA也会实现同样的性能。因此,从整体来看FPGA更适合目前的电子生态环境。除了广泛的产品系列外,其完整的桥接解决方案是对业界的又一大支持。通过这些桥接解决方案,处理器厂商可以将他们的处理器应用到更多的领域并集成更多的功能;功能模块厂商可以主动的选择更为合适的处理器来进行搭配;系统厂商则具备了充分的选择来实现自己产品的差异化和低成本。同时,业界还可以获得超低功耗的技术指标。2、系统级高密度FPGA随着微电了技术的飞速发展，系统芯片SOC已经从一个概念变成了现实，Ahera和Xilinx公司为代表的PLD生产商不断推出新一代的CPLDFPGA，其集成度早已突破百万门。

15、使在片上集成一个系统成为可能；而电了设计自动化技术作为支撑电了设计的通用平台，也逐步向支持系统级的设计发展。伴随着生产规模的提高,产品应用成本的下降，FPGA的应用已经不是过去的仅仅适用于系统接口部件的现场集成，而是将它灵活地应用于系统级(包括其核心功能芯片)设计之中。在这样的背景下，国际主要FPGA厂家在系统级高密度FPGA 的技术发展上，主要强调了两个方面：FPGA的IP硬核和IP软核。当前具有IP内核的系统级FPGA的开发主要体现在两个方面：一方面是FPGA厂商将IP硬核(指完成版图设计的功能单元模块)嵌入到FPGA器件中，另一方面是大力扩充优化的IP软核(指利用HDL语言设计并经过综合

16、验证的功能单元模块)。为了更好的满足设计人员的需要，扩大市场，各大现场可编程逻辑器件的厂商都在不断的扩充其知识产权（IP）核心库。这些核心库都是预定义的、经过测试和验证的、优化的、可保证正确的功能。设计人员可以利用这些现成的IP库资源，高效准确的完成复杂片上的系统设计。典型的IP核心库有Xilinx公司提供的 LogiCORE和AllianceCORE。3、第三方设计使FPGA更加方便3.1、Altium：System-On-FPGA方案澳大利亚的Altium 公司Nexar 2004产品是一个全面的、独立于FPGA供应商的电子设计解决方案。它将原理图输入、硬件语言、预综合的IP元件、基于C和

17、汇编的嵌入式软件开发工具、可重新配置的的硬件平台无缝地集成在同一环境中，利用板级设计方法在FPGA上实现完整的基于处理器的数字系统。系统采用的基于交互式设计、调试的LiveDesign开发模式，使工程师摆脱了对HDL和系统级仿真的依赖，开发过程更加快捷、简单。同时，系统提供丰富的拿来即用、预综合的IP CORE（含处理器内核），使基于原理图的FPGA设计变得非常高效并具有良好的可移植性。此外，可重新配置的硬件平台NanoBoard是业界第一块基于FPGA的、支持LiveDesign开发模式的开发板，它能够无风险地进行芯片级系统集成、软硬件并行设计和调试。Altium 公司的FPGA设计工具的特

18、点：全集成的FPGA（嵌入式/非嵌入式系统）环境。从输入到上板调试的全过程集成在同一环境中；成熟即用的MCU CORE及其编译、调试环境也无缝地被集成进来。通用的开发平台。适用于各主流FPGA厂家各系列芯片，软件可移值性好，是通用的FPGA开发平台。板级的设计方法。基于原理图的板级设计方法具有良好的直观性，但也保留了硬件语言的简便性。免费、丰富的通用CORE、8位-32位的MCU CORE及常用外设CORE使设计更加简捷；通用调试板。可解决复杂FPGA系统的仿真速度问题，实时验证的通用调试板无需制作专用测试板，省时省力省钱；LiveDesign的设计理念。通用调试板和虚拟仪器构成个人电子实验室

19、，设计+实时验证的方式大大提高了效率和可靠性。对于嵌入式系统，真正的软、硬件的协同设计、调试更是工程师梦寐以求的目标。与Protel 2004的完美结合。无缝地与Protel 2004（低价位的板级设计工具，也是Altium公司的产品。）集成后，具有PCB板全局布线效率和效果。Altium 公司上海代表处的曲刚总经理表示：“作为新一代的低成本、高效能的复杂数字系统设计平台，Nexar 2004将把FPGA可重复编程的优点拓展到更广泛的产品应用中。”3.2、Cadence：致力于验证Cadence 公司FPGA全芯片验证可在芯片组装上板前发现各种错误，从而缩短开发时间。当前，由于先进的FPGA芯

20、片具有高度的复杂性，使得用仪表探针在电路板上对芯片进行调试的传统做法变得日益困难 。Incisive一体化仿真器（Incisive Unified Simulator）借助功能强大的断言和SimVision工具，可使设计人员在仿真器中发现潜在的时序错误和功能性错误。同时，Cadence公司与PFGA芯片厂商紧密合作，确保了Incisive一体化仿真器与FPGA设计套件间高度的集成性。这种合作关系缩短了FPGA的设计周期。Cadence北方及西南地区技术经理赖志广先生总结了其优点：提供终极的基于模拟的速度和效率；通过内生事务级的模拟，RTL性能提高100倍；事务级支持，缩短50%的测试平台开发时

21、间，一体化的测试生成以及验证组件重用；缩短验证时间，更快找到bugs，使用静态和动态断言检查的详尽模拟；缩短25%的调试时间，通过一体化的事务/信号检视，HDL分析功能以及一体化的全语言调试环境；使用可选的按需加速，RTL性能提升100倍。3.3、Mentor：具备FPGA全流程方案Mentor Graphic公司能够提供FPGA全流程完整解决方案。完善的设计技术包括：功能强，并支持各种描述方式的设计输入和设计管理工具HDL Designer Series；支持业界全部标准，具备良好调试性能，并且为行业所广泛认同的仿真调试工具ModelSim；还包括全系列的逻辑综合技术：RTL逻辑综合工具Pr

22、ecision RTL，物理综合工具Precision Physical，算法级高级语言C/C+综合工具Catapult C。AcconSys（Mentor的代理商）技术经理肖跃龙先生不无夸赞地说：上述工具和技术构成FPGA/FPSoC设计黄金组合Mentor的FPGA Advantage工具包，其中的每一个点工具在业界都有可观的市场占有率，例如2004年HDL Designer Series的市场占有率达57，ModelSim在整个VHDL和Mixed-HDL仿真器市场占有率接近60，在FPGA设计领域则有更好的表现市场份额高达80，综合工具 Precision的市场占有率接近40。与此同时，FPGA Advantage通过Mentor独创的一体化设计环境I/O Designer，实现与其高性能PCB设计环境Expedition PCB的整合，实现FPGA和PCB设计环境之间的双向动态交互，确保FPGA与PCB之间设计的一致以及最佳的系统性能。4、FPGA和ASIC出现相互融合虽然标准逻辑ASIC 芯片尺寸小、功能强、功耗低，但其设计复杂，并且有 批量要求。FPGA价格较低廉，能在现场进行编程，但它们体积大、能力有限， 而且功耗比ASIC大。正因如此，FPGA和ASIC正在互相融合