ActelFPGA讲稿costfree课件

1、Actel Flash FPGAzlgmcu北京立功致远科技有限公司 耿天祥FPGA的基础知识目录目录FPGA相关知识 FPGA与相关技术基于FPGA的设计FPGA的应用领域FPGA厂商介绍ActelFPGA的基础知识FPGA发展历史194519501955196019651970197519801985199020192000晶体管通用集成电路SRAM&DRAM微处理器SPLDCPLDASICFPGA FPGA即现场可编程门阵列，是一种可以编程的数字集成电路IC，它起源于20世纪80年代。 FPGA的基础知识FPGA发展历史 随着EDA技术的发展，电子技术已从原来简单的晶体管技术发展到现在拥

2、有上百万门的FPGA技术。FPGA的基础知识可编程逻辑器件 第一个可编程的IC是在20世纪70年代以PROM的形式出现的，通常被称为可编程逻辑器件PLD。FPGA也是PLD的一种，它通过互连线将内部的各个模块进行连接，完成所需要的功能。PLD熔丝链技术反熔丝技术PROM技术EPROM技术E2PROM技术SRAM技术Flash技术按照工艺来分FPGA的基础知识可编程逻辑器件 反熔丝在施加电压之前是断开的，当施加电压后形成导体。反熔丝器件的缺点是：不可重复编程，而且需要特定的编程器来对其编程；其芯片使用特定的封装，还需要与其配套的插座才能编程并且编程需要很高的电压。反熔丝技术FPGA的基础知识可编

3、程逻辑器件E2PROM技术 E2PROM即电可擦除可编程ROM，该晶体管类似于MOS管的结构，与之不同的是它增加了一个称为浮栅的多晶硅，并在浮栅上增加了一个隧道二极管，用于电擦除存储单元。二氧化硅硅衬底FPGA的基础知识可编程逻辑器件SRAM技术 现在的FPGA大多采用SRAM技术，由46个 MOS管组成一个SRAM结构的开关，它主要缺点是掉电的时候数据会丢失，外部需要一个价格昂贵的配置芯片，配置一般需要几百毫秒的时间。FPGA的基础知识可编程逻辑器件Flash技术 Flash技术是E2PROM技术的一种特殊形式，也是由浮栅型场效应管构成的。它与SRAM相比主要优点是：掉电后数据不会丢失，不需

4、要昂贵的配置芯片，并且单个开关晶体管数目比SRAM少4个，这大大减少了布线的面积，降低了功耗。 PROM PLA PAL GAL 其它 SPLD CPLD FPGAFPGA的基础知识可编程逻辑器件 可编程逻辑器件按规模划分为低密度可编程逻辑器件和高密度可编程逻辑器件。PLDFPGA的基础知识可编程逻辑器件 它的主要组成部分有：输入/输出控制单元、宏单元和互连矩阵。宏单元的基本结构与简单的PLD相同，用来实现基本的逻辑功能。 CPLD集成度低，内部最大只有512个宏单元；触发器资源较少，难以实现复杂的时序逻辑设计；功耗很大，成本高。缺点：FPGA的基础知识可编程逻辑器件 是可编程逻辑阵列，内部资

5、源从几万门到几百万门。无论是组合逻辑资源还是时序逻辑资源都相当的丰富，所以利用FPGA我们可以设计更为复杂的系统。 FPGA特点：集成度高，内部资源庞大；设计周期短，灵活性强；速度快，功耗低。FPGA的基础知识FPGA结构 FPGA器件的结构非常类似于门阵ASIC（专用集成电路），但是FPGA芯片没有任何定制的掩膜层，它属于半定制电路。可编程逻辑块CLB基本的可编程逻辑块有两种，分别为基于多路选择器的，另一种是基于查找表的。不过对于Actel的Flash FPGA来说，它的最小编程单元成为Tile。 FPGA的基础知识FPGA结构可编程I/O块可编程的输入/输出模块IOB为芯片外部封装管脚和内

6、部逻辑提供连接接口。每个IOB可控制一个封装管脚，可配置成输入、输出和双向口。 FPGA器件的结构非常类似于门阵ASIC（专用集成电路），但是FPGA芯片没有任何定制的掩膜层，它属于半定制电路。FPGA的基础知识FPGA结构 FPGA器件的结构非常类似于门阵ASIC（专用集成电路），但是FPGA芯片没有任何定制的掩膜层，它属于半定制电路。可编程互联资源通过可编程互联资源可以将CLB与CLB，CLB和I/O相互连接起来，通常有三类连线资源，即局部连线、长线资源和全局网络。FPGA的基础知识FPGA结构 随着FPGA技术的发展，各个厂商所提供的资源也越来越丰富，比如说信号处理器DSP、锁相环PLL

7、等。除了以上介绍的FPGA基本结构之外，FPGA中还提供了各种可用的嵌入式资源。嵌入式RAM嵌入式乘法器等嵌入式处理器核FPGA的基础知识目录目录FPGA相关知识 FPGA与相关技术基于FPGA的设计FPGA的应用领域FPGA厂商介绍ActelFPGA的基础知识SRAM与Flash FPGA 现在FPGA技术发展相对迅速，工艺水平不断地进步，目前FPGA主要有两种制造工艺，分别为SRAM型和Flash型。性能 SRAM FPGAFlash FPGA配置芯片需要不需要功耗高低速度快 比较快安全性差高抗辐射差好保密性中等好非易失性差好架构对比FPGA的基础知识FPGA与CPLD CPLD和FPGA

8、都属于可编程的逻辑器件，有很多共同特点，但由于其结构上的差异，它们也有各自的特点。适合完成一些算法和组合逻辑适合完成一些时序逻辑设计通过修改具有固定内连电路通过改变内部连线的布线来编程集成度较低，逻辑资源少。集成度高，复杂的布线和逻辑。使用粗颗粒结构，其功耗大使用细颗粒结构，功耗低。 CPLD FPGAFPGA的基础知识FPGA与ASIC 在FPGA的发展史上，专用集成电路（ASIC）的实现方法对FPGA/CPLD的发展有着重要的影响。数字IC全定制IC半定制IC门阵IC标准单元IC结构化ICASICFPGAASICFPGA的基础知识FPGA与ASIC 在FPGA的发展史上，专用集成电路（AS

9、IC）的实现方法对FPGA/CPLD的发展有着重要的影响。全定制性能，设计周期长设计周期短，更快地面市时间设计成本高，适合于大批量生产无临时花费(NRE)速度快，资源利用率高速度较快，资源利用率有限不可重复编程，实现专用功能可重复编程，可实现SOCFPGA的基础知识目录目录FPGA相关知识 FPGA与相关技术基于FPGA的设计FPGA的应用领域FPGA厂商介绍ActelFPGA的基础知识基于FPGA的设计系统规范模块设计设计输入功能仿真综合布局布线时序验证配置下载系统设计规范HDL描述、IP核HDL描述、IP核时序/面积/功耗约束布局布线约束I/O引脚分配静态时序分析反标注文件(.sdf)下载

10、位流文件设计流程FPGA的基础知识基于FPGA的设计设计方法借助于EDA工具实现高层次到底层次的变换；无论是功能设计还是具体实现都是自顶向上的；设计者可在更高层次上完成设计输入，缩短了设计周期；极大地提高了设计的效率和可靠性。自定向下（Top_Down）设计方法自低向上（Bottom_Up）设计方法FPGA的基础知识基于FPGA的设计设计方法具体实现过程是自底向上的，但功能设计是自顶向下的；这种设计方法效率较低，设计周期长；从最底层版图开始，经逻辑设计最终实现功能，适合于小规模电路设计。自定向下（Top_Down）设计方法自低向上（Bottom_Up）设计方法以HDL代码的形式提供；不依赖于任

11、何实现工艺或技术；具有很大灵活性，可重用性很好。FPGA的基础知识基于FPGA的设计基于IP核的设计IP核软核硬核固核以集成电路版图的形式提供；经过实际工艺流片验证；依赖于某一特定实现工艺，在形态和性能上具有不可改变性FPGA的基础知识基于FPGA的设计基于IP核的设计IP核软核硬核固核处于软核和硬核之间，以电路网表形式提供；采用硬件仿真器进行验证；FPGA的基础知识基于FPGA的设计基于IP核的设计IP核软核硬核固核FPGA的基础知识目录目录FPGA相关知识 FPGA与相关技术基于FPGA的设计FPGA的应用领域FPGA厂商介绍ActelFPGA的基础知识FPGA的应用领域 在工艺不断进步的

12、推动下，FPGA产品在逻辑密度、性能和功能上有了极大的提高，同时器件成本的大幅下降，也使得电子设计工程师逐渐倾向于在越来越多的设计方案中采用可编程逻辑器件。在突破了低功耗、低成本以及先进工艺的瓶颈后，FPGA不断以其可编程和灵活性向更多领域渗透。 FPGA的基础知识FPGA的应用领域应用一：通信领域 无线通信业，软件无线电（SDR）、蜂窝基础设施、高速DSP技术、第三代通信（3G）技术等。有线通信业，主要有以太网MAC、接入流处理、通用前端、架构接口等。FPGA的基础知识FPGA的应用领域应用二：医疗及消费电子领域 医疗：如电疗、血液分析仪、医疗检测设备、诊断成像、心率处理等。 消费电子业：显

13、示器/投影仪、数字电视和机顶盒、家庭网络、DVD播放/刻录机、PDA等便携式娱乐设备等。FPGA的基础知识FPGA的应用领域应用三：汽车电子领域 现在汽车电子业正在以惊人的速度发展着，它的电子市场潜力很大，FPGA在该领域的应用数量也不断的增长。 汽车电子应用有车载数据采集、ECU硬件在环仿真、车载PC、图形处理、车载音频处理等。FPGA的基础知识FPGA的应用领域应用四：工业及数据处理领域 工业：工业自动控制、工业以太网等。数据处理：数据存储、高性能计算、服务器、 PCI、PCI Express、PS/2、USB等接口控制器、电平转换等。FPGA的基础知识FPGA的应用领域应用五：军事与航空

14、航天领域 军事：雷达和声纳、电子站、安全通信等航空航天：导航、高速数据处理、无线控制等FPGA的基础知识目录目录FPGA相关知识 FPGA与相关技术基于FPGA的设计FPGA的应用领域FPGA厂商介绍ActelActel 单芯片的FPGA领导性厂家 业界唯一一家提供 Flash 架构的FPGA厂家 美国军方的合作伙伴，占据了90%以上的航天航空的FPGA市场份额 安全性、可靠性、低功耗的FPGA设计领域的专家是是是是FPGA的基础知识FPGA厂商简介Actel 过去十年来，Actel 的FPGA已经用于超过300个太空计划，其中包括GPS、Echostar、国际太空站、火星探路者、火星探测登陆

15、车1号和2号、火星快车，以及哈勃太空望远镜等，单在火星探测登陆车的项目中，就使用了总共56个Actel FPGA。火星快车火星探路者FPGA的基础知识FPGA厂商简介Actel国际太空站哈勃太空望远镜FPGA的基础知识 过去十年来，Actel 的FPGA已经用于超过300个太空计划，其中包括GPS、Echostar、国际太空站、火星探路者、火星探测登陆车1号和2号、火星快车，以及哈勃太空望远镜等，单在火星探测登陆车的项目中，就使用了总共56个Actel FPGA。FPGA厂商简介Actel超低功耗 FPGA，具有Flash*Freeze模式，静态功耗低至5WActel第三代Flash架构FPG

16、A，更高安全性、可靠性、低功耗业界唯一具有模拟功能的Flash架构FPGA源于IGLOO，适用于超低功耗、高性能I/O的场合源于ProASIC3，对功耗进行了优化，适用高性能、低功耗场合Actel Flash FPGAActel FPGAs50种低于1美金的Nano器件Actel Flash FPGAProASIC3系列1130nm,7金属层Flash工艺CMOS技术的FPGA单电源编程基于AES和FlashLock的ISP加密技术快速、单芯片、上电即行、固件错误免疫片内1Kbit的FLASH ROM，最多504KbitRAM系统门从3万门到300万门最多616个IO、6个PLL、17种IO电

17、平标准等业界最好的ISP解决方案3唯一具有ASIC特征的FPGA2丰富的资源4Actel Flash FPGAProASIC3系列Actel Flash FPGAProASIC3L系列 ProASIC3L在成熟的ProASIC3的基础上衍生出了新一代低功耗的FPGA，采用1.2V或1.5V供电，其性能特点和ProASIC3类似，但独特的Flash*Freeze技术使得动态功耗比ProASIC3低40%，静态功耗比ProASIC3低90%，主要应用于高性能、低功耗的场合。ProASIC3L同时支持32位的CortexTM-M1软核，为系统级的设计提供了完美的解决方案。工作电压为1.5V工作电压为

18、1.2V动态功耗静态功耗动态功耗节省的动态功耗静态功耗节省的静态功耗power-driven节省的功耗Flash*freeze模式节省的功耗Actel Flash FPGAProASIC3L系列Actel Flash FPGAFusion系列典型系统系统存储器DRAMcache存储器SRAM非易失存储器FLASHMPU MCUFPGA/ASIC模拟I/O电源管理时钟管理模拟AD Fusion是世界上首个混合的FPGA，在ProASIC3的基础上加入ADC、FlashMemory、RTC、以及RC振荡器等，使得SOC成为了可能Actel Flash FPGAFusion系列Actel Flash

19、 FPGAIGLOO系列 IGLOO专为手持设备精心设计，在ProASIC3的基础上加入了独特的Flash*Freeze技术以及1.2V的内核电压，使得静态功耗最低可达5uW，并且提供超小封装ucs81，真正满足当今便携式电子设备对功耗和占位面积的严苛需求80%的时间处于闲置模式，20%的时间工作在100MHZ的操作模式Actel Flash FPGAIGLOO系列Actel Flash FPGAIGLOO+系列 IGLOO +提供无与伦比的超低功耗和I/O特性，与屡获殊荣的IGLOO系列比较多出64% 的I/O，并支持独立的施密特触发器输入、热插拔和Flash*Freeze总线保持。IGLO

20、O +系列器件的门密度从30,000到125,000，支持1.2V/ 1.5V内核电压，并进行最大的优化以提供出色的功能，全面满足I/O密集及具有功率意识应用的需求。 Actel Flash FPGAIGLOO+系列Actel Flash FPGANANO系列 Actel nano 现场可编程逻辑器件（FPGA）包括 IGLOO nano 和ProASIC3 nano两种版本，nano FPGA针对快速增长的便携式和消费电子市场而推出，Actel nano FPGA耗降低至2W(微瓦)，封装尺寸减小到33mm，并且扩大其商用温度范围至零度以下，从而扩大消费电子的应用范围，使之可以在更寒冷的户外

21、环境下使用，同时提供已封装产品的零交付交货时间。 IGLOO NANO系列IGLOO nano DevicesAGLN 010AGLN 015AGLN 020AGL 030AGLN 060AGLN 125AGLN 250VersaTiles260384520768153630726144Typical Equivalent Macrocells861281722565121,0242,048Ram K Bits-1836364608 bit blocks-488PLLs-111I/OStdStdStdStdStdStdStdI/O Banks (+ JTAG)2332224Die (IGLOO

22、)8396133157Die (nano)3452717168UC36 (3x3)23UC81 (4x4)5266CS81 (5x5)5266646464QN48 (6x6)3434QN68 (8x8)494949QN100 (8x8)717168VQ100 (14x14)77717168ProASIC3 NANO系列ProASIC3 nanoDevicesA3PN 010A3PN 015A3PN 020A3P 030A3PN 060A3PN 125A3PN 250VersaTiles260384520768153630726144Typical Equivalent Macrocells86

23、1281722565121,0242,048Ram K Bits-1836364608 bit blocks-488PLLs-111I/OStdStdStdStdStdStdStdI/O Banks (+ JTAG)2332224Die (ProASIC3)8396133157Die (nano)3452717168QN48 (6x6)3434QN68 (8x8)494949QN100 (8x8)717168VQ100 (14x14)77717168Actel Flash FPGA性能与功耗的平衡 Actel提供了各种满足不同用户需求的FPGA，根据性能和功耗的不同需求来选择.功耗性能Core

24、ABC Actel32位处理器8位处理器 性能 (DMIPS) Core8051s ActelCore8051 Actel CoreMP7Actel/ARM Cortex-M1Actel/ARM LEON3 Gaisler占用资源(Tiles) AMBAActel Flash FPGA嵌入式CPU软核Actel Flash FPGA封装尺寸CS1968x8 mmCS28110 x10 mmQN1328x8 mmCS815x5 mmCS1216x6 mmUC814x4 mmQN688x8 mmCS2018x8 mmCS28914x14 mmTQ14422x22 mmPQ20830.6x30.6

25、mmActel Flash FPGAFlash开关Word Select / BiasOutputInputBit Select 1Bit Select 2SWITCHFloating GateFlashMEMORYEraseProgramSenseVCCABWord lineBitLine SRAMBitLine VCCFlash开关的好处 面积小 更多的开关用于布线 低功耗 和SRAM 工艺相比具有更小的阻抗和容性负载 可重复编程且非易失性Actel Flash FPGAActel精细颗粒架构带使能端，置位端或者复位端的D触发器DCLKQSet or Reset等效实现一个3输入的组合逻辑

26、ABCQSet/Reset/EnableX1pin 2DataX3pin 4ClkX2pin 3011001Ypin 1F2YLClrXCpin 501EnableActel TileAltera LEHigh Speed Very Long Lines Discrete Long Lines Global Network Ultra-Fast Local Routing Clock Aggregation (Splittable Clock Spine) Actel Flash FPGAActel FPGA布线层Actel Flash FPGAActel FPGA时钟网络6 个可通过左右两边

27、的CCC访问的全局时钟网络12个象限时钟 (每个象限3个）每个逻辑Tile可以访问到9个全局网络（6个全局时钟网络，3个象限时钟网络）内部分段式的布线结构可以允许整个FPGA内部可以有多个时钟。在A3PE3000中最多可以有252个。Quadrant Global Network3636333333Quadrant Global SpinePLL/CCCGlobal SpineCentral Global Network363636363636PLL/CCC9 模拟锁相环 ProASIC3内部1个， ProASIC3E内部6个 6个可编程延时模块和1个固定的，从7.56 ns 到+11.12

28、ns可调 5个分频模块 具有0, 90, 180和 270相位可调 内部具有动态移位寄存器，支持动态的PLL，可动态修改PLL的参数Actel Flash FPGAPLL & CCC单芯片高安全性高可靠性低成本 NVM FPGA上电即行模数混合低功耗Actel FPGA的优势七大特性Actel Flash FPGAActel FPGA的优势单芯片加密(MCU/CPLD)SRAMFPGA存储器PROM配置芯片时钟调整电路大功率的电源芯片时钟小功率电源芯片低速AD节电控制（MCU/CPLD）NVM FPGASRAM型FPGA所必需的部件Actel Flash FPGAActel FPGA的优势高安

29、全性Level1物理层的保护Actel芯片受7层金属的保护，使得反向工程不可能；无需配置芯片，配置码流不会被复制；加密的密钥分布于芯片的内核单元处，并无固定区域可寻。Level2Level3其他厂家FPGABoot PROM配置数据复制配置数据直接读取PROM数据克隆Actel Flash FPGAActel FPGA的优势Level1Level2Level3FlashLock加密仅有FlashLock加密时，可以禁止芯片非授权的操作，包括编程、擦除、校验等。该设定保护保密设定，也就是保护FlashLock、AES的密钥不被修改只有FlashLock密钥的文件带有FlashLock密钥的编程文

30、件高安全性Actel Flash FPGAActel FPGA的优势Level1Level2Level3AES加密对编程文件进行AES加密，经过加密的编程文件可以通过任何途径传输。AES密钥总是受FlashLock密钥的保护，也就是FlashLock密钥保护AES的密钥不被修改只有AES和FlashLock密钥的编程文件即使被人盗取了编程文件也无法知道其真正内容带有AES密钥的编程文件高安全性Actel Flash FPGA高能中子进来的中子在布线结构中引起固件错误，导致:或信号的错误连接信号的丢失N+N+高能中子衬底或进来的中子在逻辑单元中引起固件错误，导致:信号的错误连接逻辑功能错误Actel FPGA的优势高可靠性Actel Flash FPGAActel FPGA的优势上电即行Actel Flash FPGA3.静态功耗4.动态功耗1.启动功耗2.配置功耗3.静态功耗4.动态功耗1.无2. 无 P K SRAM FPGAFlash FPGAActel FPGA的优势低功耗Actel Flash FPGA典型系统MPU / MCUFPGA / ASIC电源管理（LDO）系统存储器DRAM非易失存储器FLASH时钟管理（RTC）模拟I/OCache 存储器SRAM模拟器件ADActe