A FPGA 技术调研报告
——认识比较全方位的 FPGA
目录
第一章：概述
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第一节 FPGA 的发展概述 ···············································1
第二节 FPGA 的结构概述 ···············································1
第二章：A FPGA 与各国 发展
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第一节 FPGA 与国外发展 ···············································2
第二节 FPGA 与中国发展 ···············································2
第三章：A FPGA 与生产厂家
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第一节 FPGA 与 Xilinx ···············································3
第二节 FPGA 与 Altera ···············································5
第四章：A FPGA 与 开发语言
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第一节 FPGA 与 Verilog ···············································6
第二节 FPGA 与 VHDL ···················································6
总结
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参考文献
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第一章：概述
第一节 FPGA 的发展概述
现场可编程门阵列 FPGA（Field Programmable Gate Array）是 20 世纪 80年代中期又没过 Xilinx 公司首先推出来的。随着半导体加工工艺的不断发展，FPGA 在结构、速度、工艺、集成度和性能等方面都有了极大的改进和提高，与之相对应的设计方法学和自动化设计工具也得到迅速发展。
简单的讲，现场可编程门阵列 FPGA 是一种可以变成的数字集成电路 IC（Integrated Circuit），它包含了可配置的逻辑块一劫逻辑块之间的互连线。所谓的现场可编程是指设计人员可以通过在工作现场完成对这些逻辑块和连线的配置，以实现或改变复杂的电子系统的功能。为了对 FPGA 有一个较全面的认识，我们简要回顾一下 FPGA 发展相关的技术如图 1 所示，图纸的白色区域表示以开始研究该技术的时间，但是由于种种原因没有得到很好的推广。
图 1 FPGA 技术发展过程
第二节 FPGA 的结构概述 每一个 FPGA 生产厂斗殴自己的 FPGA 体系结构，但是所有厂家的 FPGA 机构中都包含了如图 2 所示的三个基本块，即可配置的逻辑块 CLB、可配置的 I/O 模块和可编程互连资源。另外，在 FPGA 中有一个时钟电路用于驱动时钟信号到每个 CLB 中的触发器，还有一些其他逻辑资源如存储器、译码器等。随着 FPGA 的发展，各个厂家所提供的资源越来越丰富，如数字信号处理器 DSP、锁相环 PLL等。
图 2 FPGA 的结构
第二章：A FPGA 与各国发展
第一节 FPGA 与国外发展
国外的 FPGA 的设计技术经过多年的发展和加工工艺已经成熟，产品门类齐全，可以提供上百个系列品种，芯片集成度已达到上百万门，并广泛应用于通信、航天、航空、导航、遥感、遥测、程控交换机等军、民用领域。目前，国内外可编程逻辑器件被美国几家著名大公司所垄断。其技术经过近二十年的经验积累，技术力量十分雄厚。器件尺寸达到 65nm，规模达到千万门级。各公司在宇航和军用电子元器件的发展十分迅速。世界排名前四的可编程器件供应商分别为 Xilinx、Altera、Actel、Lattice，这几家可编程设计公司是全球领先的可编程逻辑完整解决方案的供应商。
具体 Xilinx、Altera 生产厂家情况会在第三章介绍。
第二节 FPGA 与国内发展
由于中国集成电路产业受到产业高速增长与核心技术长期受制国外技术壁垒的双重影响，出现了产业规模盲目扩大与产品效益低下并存，外资大量进入与
本土大企业缺失并存的尴尬局面。由于外资的巨大贡献，中国的整机制造产业，括计算机、通信设备制造和视听产业，仍具有较强的国际竞争力，而本土的元器件研发产业在全球所占的份额则十分有限。这一格局在客观上反映了国内的企业与科研院所尚不具备与跨国公司开展全面竞争，中国电子信息产业仍处于加工组装阶段的现实。因此，从某种意义上来讲，中国电子产业的基础研发能力大而不强。
基于以上原因，国内在可编程逻辑器件领域尚处于起步阶段，研究大多集中于电路综合和布局布线算法理论。对于实际的 FPGA 芯片设计，尤其是商业化FPGA 芯片中逻辑电路的正向前端设计与研究尚未有成功先例。
目前国内系统整机使用的 FPGA 器件全部依靠进口，被国外公司垄断，且进货渠道狭窄，产品价格昂贵。国内在可编程逻辑器件领域还处于起步阶段，国内多家研制单位作了大量基础性的工作，并取得了阶段性的科研成果，为军用可编程逻辑器件的发展奠定了坚实的技术基础，下面将展开介绍。
1）华微电子系统有限公司 华微电子成立之初就确立公司发展的专业方向——可编程逻辑器件，多年来进行了系统的、深入的、专业化的研究，并在技术上取得了重大突破。兼容 XilinxXC9500 系列的复杂可编程逻辑器件“HWD14XX 系列 CPLD”通过了设计定型，技术国内领先、填补空白。掌握了可编程逻辑器件的设计方法和总结出可编程逻辑器件的一套完整设计流程，掌握复杂可编程逻辑器件内嵌 FLASH 阵列的设计方法。
华微公司基于 EEPROM 工艺、EPROM 工艺的 GAL20V8、GAL22V10、EP220 等低密度可编程逻辑器件研发完成。华微公司 “可编程逻辑电路核开发”得到 863 国家高技术研究发展计划的支持，并顺利通过验收。华微公司百万门级 FPGA 芯片设计方法与研究取得阶段性成果。华微公司具备自主烧录器、编程器、配套软件及应用开发系统级平台。
以上基础研究和型谱研发工作的开展，为百万门级 FPGA 的预先研究打下了坚实的基础。
2）复旦微电子公司 复旦微电子采用 0.35um 工艺，研发 10 万门规模器件及软件系统原型；取得多项具有自主知识产权的研究成果；取得 863 国家高技术研究发展计划的支持。
3）西安电子科技大学微电子研究所。
西安电子科技大学微电子研究所基于 Xilinx 4000 的架构设计了一款可用系统门为 3 万门的 FPGA 芯片，并在布线算法方面取得了一定的研究成果。另外，国内其他研究院所也作了大量的基础工作。但是到目前为止，国内的 FPGA 芯片设计仍然主要集中在 3 万—10 万系统可用门数的学术性芯片研究设计方面，尚无能够真正符合工业、商业应用需求的成熟产品出现，尤其是没有能形成系列产品开发的 IP 核实现的芯片出现。
第三章：A FPGA 与生产厂家
第一节 FPGA 与 Xilinx
Xilinx 公司成立于 1984 年，Xilinx 首创了现场可编程逻辑阵列（FPGA）这一创新性的技术，并于 1985 年首次推出商业化产品。目前 Xilinx 满足了全世界对 FPGA 产品一半以上的需求。Xilinx 公司的 FPGA 器件具有十分突出的特色：基于 SRAM 架构，可“无限次”编程；LUT 可配置为分布式 RAM；块 RAM 可配置为多种模式；全数字式的时钟管理系统，可提供灵活精确的时钟信号；Versa-Ring 提供了 IOB 与 CLB 的连接，可以更便利的实现 PIN 锁定；高端产品如 VIRTEX-II Pro、VIRTEX-II Pro X 嵌入了微处理器和专用乘法器，VIRTEX4 FX 嵌入了处理器，提供系统的解决方案，功能更加强大等。
Xilinx 于 2006 年又推出了其最新系列的产品 VIRTEX -5 系列，该系列提供 FPGA 市场中最新最强大的功能。VIRTEX-5 系列采用第二代 ASMBL （高级硅片组合模块）列式架构，包含四种截然不同的平台（子系列），比此前任何 FPGA系列提供的选择范围都大。每种平台都包含不同的功能配比，以满足诸多高级逻辑设计的需求。该系列主要由 LX、LXT、SXT 和 FXT 四个平台构成，其中VIRTEX-5 LX 是针对高性能通用逻辑应用，VIRTEX-5 LXT 是针对具有高级串行连接功能的高性能逻辑，VIRTEX-5 SXT 是针对高性能信号处理应用，VIRTEX-5FXT 是针对高性能嵌入式系统。
Xilinx 公司典型代表产品是 Virtex 系列架构的 FPGA，其结构中嵌入了具有特定功能的功能单元，如块 RAM、时钟锁相环、乘法器甚至微处理器等功能单元，以满足功能更复杂更强大的设计需求。
Xilinx 公司 FPGA 是基于查找表 LUT 结构的，可配置逻辑块 CLB 中还包含了功能强大的组合和时序逻辑，能根据不同的应用需要实现多种组合与时序逻辑功能。每个 CLB 包括 2 个重复的逻辑单元，逻辑单元结构在下述章节会有详细介绍。每个逻辑单元由 2 个 4 输入的 LUT，来完成基本的逻辑功能，以及作为分布式 RAM，实现小规模的存储，2 个可配置的触发器来完成相关的时序电路。另外，电路还附加了一些特殊的资源，如进位链，用来实现高速的运算功能。
除了最先进的高性能逻辑架构，VIRTEX-5 FPGA 还包含多种硬 IP 系统级模块，包括强大的 36Kb Block RAM/FIFO、第二代 25 x 18 DSP Slice、带有内置数控阻抗的 SelectIO 技术、ChipSync 源同步接口模块、系统监视器功能、带有集成 DCM（数字时钟管理器）和锁相环（PLL）时钟发生器的增强型时钟管理模块以及高级配置选项。LXT 和 SXT 器件还包含针对增强型串行连接的电源优化高速串行收发器模块、一个符合 PCI Express
的集成端点模块和三态以太网MAC（媒体访问控制器）。这些功能使高级逻辑设计人员能够在其基于 FPGA 的系统中体现最高档次的性能和功能。
VIRTEX-5 FPGA 以最先进的 65nm，12 层金属的铜工艺技术为基础，芯片内核电压为 1V，是定制 ASIC 技术的可编程替代方案。大多数高级系统设计都需要 FPGA 的可编程能力。VIRTEX-5 FPGA 以前所未有的逻辑、DSP、软/ 硬微处理器和连接功能提供最佳解决方案，以满足高性能逻辑设计人员、高性能 DSP 设计人员和高性能嵌入式系统设计人员 的需求。VIRTEX-5 LXT、SXT 和 FXT 平台具有先进的高速串行连接功能和链路/事务层功能。强大的时钟管理模块(CMT)时钟控制，具有零延迟缓冲、频率综合和时钟相移功能的数字时钟管理器模块，具有输入抖动滤波、零延迟缓冲、频率综合和相位匹配时钟分频功能的 PLL 模块。
在该产品系列中，只有 LX 平台没有 Rocket I/O GTP 收发器、PIC－E 端
点模块和以太网 MAC 模块。芯片内部最高工作频率可达到 550M。
第二节 FPGA 与 Altera
ALTERA 公司于 1983 年 6 月在美国 SAN JOSE 创立，也是一家提供可编程逻辑器件的专业设计公司。ALTERA 是复杂可编程逻辑器件（CPLD）的发明者，该公司于 1988 年在 NASDAQ 挂牌（ALTR），进入 90 年代以后，ALTERA 更成为发展最快的可编程逻辑器件厂商之一。
ALTERA 公司的 FPGA 器件有 FLEX、CYCLONE、STRATIX 三个系列。
ALTERA 公司器件系列丰富，产品应用范围广。除了早期型号 FLEX 系列没有内嵌存储器之外，后来的系列都内嵌了存储逻辑块，部分高端产品还嵌入 DSP 或者 ARM 微处理器。集成度、性价比都较高，其中以 CYCLONE 系列最突出。目前 FLEX8000 已停产，FLEX6000 和 FLEX10K 已经较少使用，基本被 ACEX1K 和CYCLONE 取代，目前 ACEX、APEX、CYCLONE 和 STRATIX 系列为该公司的 主流产品。
ALTERA 公司的典型产品 FLEX8000 系列架构 FPGA 有三层结构，FLEX8000器件的架构见图 3。其最底层也是基于查找表结构的。应该注意到的是 FLEX8000系列是 FPGA 和 CPLD 技术结合的产品。FLEX8000 系列是基于 SRAM 和以四端输入 LUT 作为它的基本逻辑模块为特色的器件，该系列 FPGA 的逻辑容量范围从大约 4000 门到超过 15000 门。基本逻辑模块又称为逻辑单元（IE）包括有一个四端输入的 LUT、一个触发器和对算法运算电路有特殊用途的进位电路（相似于 Xilinx XC4000）。
图 3 Altera FLEX8000 FPGA 架构
第四章：A FPGA 与 开发语言
第一节 FPGA 与 Verilog
对于 FPGA 开发而言，比较流行的 HDL 主要有 Verilog HDL、VHDL、ABEL—HDL和 AHDL 等。其中 VHDL 和 Verilog HDL 因适合标准化的发展方向而最终成为 IEEE标准。与 VHDL 相比 Verilog HDL 有个最大的优点是：它是一种非容易掌握的硬件描述语言。只要有 C 语言的编程基础，一般经过 2 到 3 个月的认真学习和实际操作就能掌握这种设计技。并且完成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 语法的一个子集。
第二节 FPGA 与 VHDL
VHDL 是 Very high speed integrated circuit Hardware Description Language 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快速进步 4 VHDL 所能提供高阶电路描述语言的表达式让复杂的电路可以通过VHDL 编辑器的电路方式，轻易而且快速地达到设计的规格，VHDL 电路描述语言所能涵盖的范围相当广，能适用于各种不同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， 所以 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同，它代表的是门阵列的动作状态，所以在编写 VHDL 程序时，不但有它本身的语法，而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，因为逻辑电路的误动作很可能导致整个系统的瘫痪！
总结
FPGA 技术的创立和发展经过了一个长期的过程，是在之前 ASIC 技术的基础上发展而来的，最早是由 Xilinx 公司首先提出来。其结构包括主要的可配置的逻辑块 CLB、可配置的 I/O 模块和可编程互连资源，另外还有其他一些扩展部分。
FPGA 技术在国外发展已经相当成熟，但在国内，仍处在起步阶段，大多数技术要靠进口。Xilinx 和 Altera 是目前世界上两大 FPGA 生产厂家，Altera 更面向军用一点，Xilinx更面向商用。目前FPGA中使用最广泛的语言是Verilog和VHDL两种语言，两种语言各有各的特点，Verilog 更接近我们所熟知的 C语言的语法。另外，两种语言都不是专门的 FPGA 设计语言，FPGA 使用到的只是它们的子集而已。
此次调研主要从四个不同的方面深入了解了一下 FPGA。当然，FPGA 所涉及
的知识不仅仅这么四个方面，在以后的学习中，同学们应该从更多的方面深入理解，这样才能更好的掌握好 FPGA 的相关知识。从 FPGA 在中国的发展来看，国内现在紧缺 FPGA 方面的人才，为了以后的工作考虑，学好 FPGA 是找到好工作的一条途径。
参考文献
[1] 杜慧敏,李宥谋，赵全良：基于 Verilog 的 FPGA 设计基础.西安电子科技大学出版社，2006 [2] 朱赤驹：FPGA 中 CLB 电路的设计研究.电子科技大学硕士学士论文，2009 [3] 周奇勋，王勉华，乐春峡：基于 FPGA 的 VHDL 语言设计优化.仪器仪表学报，2003