FPGA技术调研报告

FPGA技术调研报告**微电子学与固体电子学********一FPGA发展现实状况当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会，数字集成电路自身在不停地进行更新换代。它由初期的电子管、晶体管、小中规模集成电路，发展到超大规模集成电路(VLSI，几万门以上)以及许多具有特定功能的专用集成电路。不过，伴随微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更乐意自己设计专用集成电路(ASIC)芯片，并且但愿ASIC的设计周期尽量短，最佳是在试验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件(FPLD)，其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列(FPGA)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。大规模可编程逻辑器件CPDL和FPGA是当今应用最广泛的两类可编程专用集成电路，电子设计工程师运用它可以在办公室或试验室里设计出所需的专用集成电路，从而大大缩短产品的上市时间，减少了开发成本。此外，可编程逻辑器件还具有静态可反复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以象软件同样通过编程来修改，这样就极大的提高了电子系统设计的灵活性和通用性。由于具有上述两方面的特点，CPLD和FPGA受到了世界范围内广大电子设计工程师们的普遍欢迎，应用日益广泛。目前已经有单片可用门数超过数百万门、工作频率可达500姗z以上的可编程ASIC芯片问世，由于工艺和构造的不停改善，可编程ASIC芯片上包括的资源越来越丰富，可实现的功能越来越强，他们已成为当今实现电子系统集成化的重要手段。现代FPGA/CPLD的长处可归纳如下:1)高速;2)高可靠性;3)编程简便;4)易学易用;5)开发周期短;6)保密性能好;7)系统易维护、易升级。二FPGA应用研究的必要性和现实意义伴随微电子技术的飞速进步，电子学进入了一种崭新的时代，其特性是电子技术的应用正以空前规模和速度渗透到各行各业。现场可编程器件的广泛应用，为各行业的电子系统设计工程师自行开发本行业专用的ASIC提供了技术和物质条件。FPGA器件作为当今电子设计领域应用最广泛的可编程器件之一，其原因是多方面的，FPGA器件高集成度、可现场修改、开发周期短等长处满足了参军用到民用、从高端到低端的大多数电子设计领域的需求。而FPGA器件从出现至今只有短短二十年的发展历史，有诸多电子设计工程师以至FPGA产品的顾客对这一器件的特性、优势还不是非常理解，部分有经验的设计师仍然习惯于用单片机等老式工具从事电路设计，这样就影响了电子产品的市场竞争力，也忽视了产品的升级空间。因此，十分有必要对FPGA这一族器件进行全面细致的分析研究，从而更好地运用FPGA的优势为电子设计服务。FPGA应用研究对PDL企业来说是一件与研发生产同等重要的大事，理解自己的FPGA产品与其他产品的差距、在市场的位置、在消费者中的口碑，才能不停研制出更有竞争力的FPGA产品:FPGA应用研究对科研工作者的作用也是显而易见的，伴随科研项目的大型化、复杂化、市场化，所需要的工具也要具有高速处理大量数据的能力，并且FPGA的可反复编程和易维护易升级的特点尤其适于在试验室中使用，进行FPGA应用研究可以令科研工作事半功倍;FPGA应用研究对广大个人顾客更是必要，由于FPGA的最大长处是能进行设计调整而满足产品升级，因此用它计的便携产品虽然已经发货，仍可在现场升级或修改，顾客为了更好的使用FPGA器件也有必要进行FPGA应用研究。FGPA与老式的构造化ASIC相比，虽然一种构造化ASIC设计进行得非常完美，但目的市场也会变化，或者原则会更新。在这种状况下，不灵活性会带来订货和库存风险，库存和NRE成本就被挥霍了。此外，PI供应商、EAD厂商等很难支持构造化ASIC的发展。而FPGA可以轻易地进行重新编程来适应新的规定，或者FPGA库存可以重新应用于另一种项目。可以相信，会有越来越多的电子设计工程师倾向于在IC处理方案中采用可编程逻辑器件。可编程逻辑实际上正在成为市场的主流，并且在不停寻求原先从未应用过的新市场。三FPGA与开发语言对于FPGA开发而言，比较流行的HDL重要有VerilogHDL、VHDL、ABEL—HDL和AHDL等。其中VHDL和VerilogHDL因适合原则化的发展方向而最终成为IEEE原则。与VHDL相比VerilogHDL有个最大的长处是：它是一种非轻易掌握的硬件描述语言。只要有C语言的编程基础，一般通过2到3个月的认真学习和实际操作就能掌握这种设计技。并且完毕同一功能它的程序条数一般仅为VHDL的1/3。Verilog并不是FPGA专用的设计语言，有些东西在FPGA中并等不到应用，也就是说FPGA应用的Verilog实际是Verilog语法的一种子集。 VHDL是VeryhighspeedintegratedcircuitHardwareDescriptionLanguage的缩写，即超高速集成电路的硬件描述语言。由于半导体编程技术的迅速进步4VHDL所能提供高阶电路描述语言的体现式让复杂的电路可以通过VHDL编辑器的电路方式，轻易并且迅速地到达设计的规格，VHDL电路描述语言所能涵盖的范围相称广，能合用于多种不一样阶层的设计工程师的需求，从ASIC的设计到PCB系统的设计，VHDL电路描述语言都能派上用场，因此VHDL电路设计毫无疑问地成为硬件设计工程师的必备工具。目前，VHDL语言也已成为FPGA编程最常用的工具，而VHDL作为硬件电路描述语言，与一般的软件语言有很大的不一样，它代表的是门阵列的动作状态，因此在编写VHDL程序时，不仅有它自身的语法，并且最为重要的是逻辑电路动作的精确问题。这也是硬件设计工程师最为头疼的问题，由于逻辑电路的误动作很也许导致整个系统的瘫痪！四FPGA的应用FPGA的应用可分为三个层面：电路设计,产品设计,系统设计。1．电路设计中FPGA的应用连接逻辑,控制逻辑是FPGA初期发挥作用比较大的领域也是FPGA应用的基石。实际上在电路设计中应用FPGA的难度还是比较大的这规定开发者要具有对应的硬件知识（电路知识）和软件应用能力（开发工具），这方面的人才总是紧缺的,往往都从事新技术,新产品的开发成功的产品将变成市场主流基础产品供产品设计者应用在不远的未来,通用和专用IP的设计将成为一种热门行业!搞电路设计的前提是必须要具有一定的硬件知识。2．产品设计把相对成熟的技术应用到某些特定领域如通讯,视频,信息处理等等开发出满足行业需要并能被行业客户接受的产品这方面重要是FPGA技术和专业技术的结合问题,此外尚有就是与专业客户的界面问题产品设计还包括专业工具类产品及民用产品,前者重点在性能,后者对价格敏感产品设计以实现产品功能为重要目的,FPGA技术是一种实现手段在这个领域,FPGA由于具有接口,控制,功能IP,内嵌CPU等特点有条件实现一种构造简朴,固化程度高,功能全面的系统产品设计将是FPGA技术应用最广大的市场,具有极大的爆发性的需求空间产品设计对技术人员的规定比较高,路途也比较漫长不过目前整个行业正处在组建＂首发团体＂的状态,只要加入,前途光明产品设计是一种职业发展方向定位,不是简朴的爱好就能做到的!产品设计领域会造就大量的企业和企业家,是一种近期的发展热点和机遇。3．系统级应用系统级的应用是FPGA与老式的计算机技术结合,实现一种FPGA版的计算机系统如用XilinxV-4,V-5系列的FPGA,实现内嵌POWERPCCPU,然后再配合多种外围功能,实现一种基本环境,在这个平台上跑LINIX等系统这个系统也就支持多种原则外设和功能接口（如图象接口）了这对于迅速构成FPGA大型系统来讲是很有协助的。这种＂山寨＂味很浓的系统初期优势不一定很明显,类似ARM系统的境况但若能慢慢发挥出FPGA的优势,逐渐实现某些特色系统也是一种发展方向。FPGA不停向高集成度、大容量、高速、低功耗、低价位的方向发展，目前最高水平的FPGA已采用65nm、11层铜布线，规模已到达330000个逻辑单元（可编程逻辑门约660万门）和1200个顾客I/O，速度已到达550MHz。F