可编程逻辑器件.doc

可编程逻辑器件(PLD)出现于20世纪70年代，是一种半定制逻辑器件，它给数字系统的设计带来了革命性的变化。它大致经历了从PROM、PLA、PAL、GALEPLD、FPGA和CPLD的发展过程。FPGA和CPLD是这项技术按其内部结构不同延伸出的两个分支。一般来说是把基于乘积项技术、FLASH(类似E2PROM工艺)工艺的PLD称为CPLD，把基于查找表技术、SRAM工艺，要外挂配置E2PROM的PLD称为FPGA。与其他可编程逻辑器件相比，FPGA和CPLD在结构工艺集成度、功能速度和灵活性方面都有很大的改进和提高。进入20世纪90年代后，由于半导体工艺技术的发展，以FPGA和CPLD为代表的可编程逻辑器件逐渐成为微电子技术发展的主要代表产品方向之一。1) FPGA：即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA提供了最高的逻辑密度、最丰富的特性和最高的性能。这些先进的器件还提供诸如内建的硬连线处理器、大容量存储器、时钟管理系统等特性，并支持多种最新的超快速器件至器件信号技术。2) CPLD：CPLD即复杂可编程逻辑器件，是一种比PLD复杂的逻辑元件。CPLD是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。与FPGA相比CPLD提供的逻辑资源少得多，但是CPLD提供了非常好的可预测性，因此对于关键的控制应用非常理想。而且如Xilinx CoolRunnerTM系列CPLD器件需要的功耗极低，并且价格低廉，从而使其对于成本敏感、电池供电的便携式应用(如移动电话和数字手持助理)非常理想。其基本设计方法是借助集成开发软件平台，用原理图、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆(“在系统”编程)将代码传送。1. FPGA和CPLD的对比尽管FPGA和CPLD都是可编程ASIC器件，有很多共同点，但由于CPLD和FPGA结构上的差异，具有各自的特点：1) FPGA是细粒结构，这意味着每个单元间存在细粒延迟。如果将少量逻辑紧密排列在一起,FPGA的速度相当快。然而，随着设计密度的增加，信号不得不通过许多开关，路由延迟也快速增加，从而削弱了整体性能。FPGA是“寄存器丰富”型(即其寄存器与逻辑门的比例高) 。而CPLD正好相反，它是粗粒结构，是“逻辑丰富”型，这意味着进出器件的路径经过较少的开关，相应地延迟也小。因此，与等效的FPGA相比，CPLD可工作在更高的频率，具有更好的性能。2) CPLD的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀和可预测的，而FPGA的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性；3) CPLD比FPGA使用起来更方便。CPLD的编程采用E2PROM或FASTFLASH技术，无需外部存储器芯片，使用简单。而FPGA的编程信息需仔放在外部存储器上，使用方法复杂；4) FPGA的集成度比CPLD高，具有更复杂的布线结构和逻辑实现；5) 一般1青况下，CPLD的功耗要比FPGA大，且集成度越高越明显；6) CPLD的速度比FPGA快，并日具有较大的时间可预测性。这是由于FPGA是门级编程，并且CLB之间采用分布式互联，而CPLD是逻辑块级编程，并且其逻辑块之间的互联是集总式的；7) CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑，FPGA更适合于完成时序逻辑。换句话说，FPGA更适合于触发器丰富的结构，而CPLD更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构。8) FPGA在编程上比CPLD具有更大的灵活性。CPLD通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程，FPGA主要通过改变内部连线的布线来编程；FPGA可在逻辑门下编程，而CPLD是在逻辑块下编程；9) 在编程方式上，CPLD主要是基于E2PROM或FLASH存储器编程，编程次数可达1万次，优点是系统断电时编程信息也不丢失。FPGA大部分是基于SRAM编程，编程信息在系统断电时丢失，每次上电时，需从器件外部将编程数据重新写入SRAM中。其优点是可以编程任意次，可在工作中快速编程，从而实现板级和系统级的动态配置；(10)CPLD保密性好，FPGA保密性差。总之，CPLD与FPGA由于各自的特点与优势，使得二者在可编程逻辑器件技术的竞争巾并驾齐驱，成为两支领导可编程器件技术发展的主要力量。在选择CPLD还是FPGA时，可根据不同的技术要求和设计环境做出最佳选择。2. FPGA技术应用领域1) FPGA技术在数字信号处理应用中的地位信号与信息处理学科是信息科学的重要组成部分已渗透到科学研究、技术开发、工业生产、国防和国民经济的各个领域，取得了丰硕的成果。信号处理的主要功能在于通过对被测信号在时域或变换域的特性进行分析、处理，能使我们对信号的特性和本质有更清楚的认识和理解，得到我们需要的信号形式，提高信息的利用程度，进而在更广和更深层次上获取信息。尤其是正日益发展的数字信号处理技术(DSP)为信号处理提供了更有效的手段。DSP芯片的出现和发展，促进数字信号处理技术的提高，许多新系统、新算法应运而生，广泛应用于诸如数字图像处理、PC机、无线设备、网络设备、互联网接入、仪器、数字娱乐等。DSP的核心是算法与实现，DSP芯片的发展必须要适应3P要素，即性能(Performance)、功耗（Power-consumption)和价格(Price)。常规的DSP芯片通过采用乘加单元和改进的哈佛结构，使其运算能力确实超越了传统意义上的微处理器。然而，随着高速实时数字信号处理技术的要求和数字信号处理应用领域的不断扩展，DSP器件受到运算速度的限制，其实时处理性能在相当程度上受到了极大的挑战和制约。为了弥补高速实时运行的缺陷，更多地借助于FPGA的并行处理能力，将其作为协处理器与DSP芯片共同构成实时信号处理系统。近年来FPGA技术得到了高速发展，FPGA芯片既满足了3P的要素又具有可重构系统(Reconfigurable System)特点，伴随着其性能的不断提升，用FPGA直接构造数字信号处理系统作信号的实时处理已成为当今和未来数字信号处理技术发展的一个热点并逐渐显现出其在信号处理应用中的重要地位。2) FPGA 在数据采集中的应用在高性能数据采集系统中，通常采用单片机或DSP( 数字信号处理器) 作为CPU 控制ADC( 模/数转换器) 存储器和其他外围电路的工作。但基于单片机和DSP设计的数据采集系统都有一定的不足。单片机的时钟频率较低，各种功能都要靠软件的运行来实现软件运行时间在整个采样时间中占很大的比例，效率低，难以适应高速数据采集系统的要求；DSP 的运算速度快，擅长处理密集的乘加运算，但很难完成外围的复杂硬件逻辑控制。在高速数据采集方面，FPGA有单片机和DSP无法比拟的优势。FPGA 时钟频率高，内部时延小，全部控制逻辑由硬件完成，速度快，组成形式灵活，可以集成外围控制、译码和接口电路；最主要的是FPGA可以采用IP内核技术，通过继承、共享或购买所需的知识产权内核提高开发进度，利用EDA工具进行设计、综合和验证 加速了设计过程，降低了开发风险，缩短了开发周期，效率高而且更能适应市场。3) FPGA在医疗领域中的应用数字集成电路在医疗器械中已广泛应用，由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路发展到超大规模集成电路（VLSIC），以及许多具有特定功能的专用集成电路。随着微电子技术的发展，医疗器械设计师们更愿意自己设计专用集成电路(ASIC)芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，并能立即投入实际应用之中。而FPGA是一种用于开发数字电路的功能强大的可编程芯片，具有容量大、系统可靠、便于修改的优点，它的设计主要通过软件进行，且易学易用，因此基于FPGA的开发较之应用传统数字电路和ASIC芯片具有速度快、成本低的特点，已越来越多地应用到数字系统的开发中。另一方面，医疗器械中对数字控制系统有着大量运用，因此，FPGA几乎可以应用在医疗器械的几乎所有领域中。如：医学影像(MRI、CT、螺旋CT、B超、彩超、X光机)、治疗设备(电子加速器、超声聚焦、医用激光、麻醉设备)、临床检验生化分析、心电监护仪器、灭菌设备等。4) FPGA技术在汽车电子中的应用FPGA技术有很多优势，包括自定义I/O硬件定时和同步、高度可靠性、数字信号处理和分析等。这些优势为快速增长的汽车电子测试技术提供了灵活的低成本解决方案。基于FPGA技术的汽车电子应用主要包括车载数据采集和对电子控制单元(ECU)的硬件在环(HIL)仿真。车载数据采集系统(IVDAS)作为最常见的汽车电子测试应用之一，主要用于记录和分析汽车内的多种传感器的信号，同时对测试系统的可靠性、便携性和开发性等具有较高的要求。车载应用涉及的技术指标包括采样率、信号调理、处理和分析等。应用FPGA技术，还可对任何传感器信号进行高级信号处理和分析。在很多信号处理系统中，底层的信号预处理算法要处理大量的数据，对处理速度要求很高，但算法相对简单，便可用FPGA进行编程实现。此外，可很方便地在FPGA上实现对所采集的信号作数字滤波运算、快速傅立叶变换(FFT)、加窗等多种信号处理和分析。传感器级信号处理和分析功能将使FPGA技术更适合于车载数据采集的应用。硬件在环仿真作为设计流程中重要的组成部分，是对虚拟运行环境中的设备进行非常逼真的实际I/O的模拟。其最显著的优点是可以对实际情况进行模拟，而不会产生实际危险。使用FPGA技术可以创建自定义的I/O来满足仿真条件下对各种信号的需求，例如用于爆震、火花、发动机位置传感器，燃油喷射器以及歧管压力的同步信号，和开关、温度、脚踏板、油门和汽车行驶速度等异步信号；此外还包括测试数据的记录和测试步骤等。5) FPGA在逻辑接口领域中的应用在实际的产品设计中，很多情况下需要与PC机进行数据通信。比如，将采集到的数据送给PC机处理，或者将处理后的结果传给PC机进行显示等。PC机与外部系统通信的接口比较丰富，如ISA、PCI、PCI Express、PS/2、USB等。传统的设计中往往需要专用的接口芯片，比如PCI接口芯片。如果需要的接口比较多，就需要较多的外围芯片，体积、功耗都比较大。采用FPGA后，接口逻辑都可以在FPGA内部来实现了。大大简化了外围电路的设计。在现代电子产品设计中，存储器得到了广泛的应用，例如SDRAM、SRAM、Flash等。这些存储器都有各自的特点和用途，合理的选择存储器的类型可以实现产品的最佳性价比。由于FPGA的功能可以完全自己设计，因此可以实践各种存储接口的控制器。6) FPGA在航天遥感器中的应用FPGA也是现阶段航天专用集成电路(ASIC，Application specificintegrated circuit)的最佳实现途径。使用商用现货FPGA设计微小卫星等航天器的星载电子系统，可以降低成本。利用FPGA内丰富的逻辑资源，进行片内冗余容错设计，是满足星载电子系统可靠性要求的一个好办法。目前，随着对卫星技术的不断发展、用户技术指标的不断提高以及市场竞争的日益激烈。功能度集成和轻小型化已经成为星载电子设备的一个主流趋势。采用小型化技术能够使星载电子设备体积减小、重量减轻、功耗降低，提高航天器承载有效载荷的能力以及功效比。采用高功能集成的小型化器件，可以减小印制板的尺寸，减少焊盘数量。还有利于充分利用冗余技术提高系统的容错能力。星载数字电路小型化的关键是器件选用，包括嵌人式高性能微处理器的选用、大规模存储器的选用、片上总线与局部总线的选用，以及高集成度器件的选用，其中，高密度可编程逻辑器件FPGA的选用是一个重要的实现方式。在航天遥感器的设计中，FPGA被广泛地应用于主控系统CPU的功能扩展闭、CCD图像传感器驱动时序的产生刚以及高速数据采集。3. FPGA的未来发展趋势先进的ASIC生产工艺已经被用于FPGA的生产，越来越丰富的处理器内核被嵌入到高端的FPGA芯片中，基干FPGA的开发成为一项系统级设计工程。随着半导体制造工艺的不同提高，FPGA的集成度将不断提高，制造成本将不断降低，其作为替代ASIC来实现电子系统的前景将日趋光明。功能上从最初的单纯FPGA发展到内嵌CPU、DLL等的SOPC；工艺上从最初的0.5um 1P3M发展至65nm 1P12M，正在向45nm进发。1) 大容量、低电压低功耗FPGA大容量FPGA是市场发展的焦点。采用深亚微米(DSM)的半导体工艺后，器件在性能提高的同时，价格也住逐步降低。由于便携式应用产品的发展，比如移动通信设备、个人数字助理等，对FPGA的低电压、低功耗的要求日益迫切。2) 系统级高密度FPGA的应用已经不是过去仅仅适用干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)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，主要强调两个方面：FPGA的IP(知识产权)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：一方而是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验证的功能单元模块)，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，高效准确地完成复杂片上的系统设计。3) 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，并且有批鼍要求。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，取长补短。随着一些ASIC制造商提供具有可编程逻辑的标准单元，FPGA制造商重新对标准逻辑单元发生兴趣，多平台FPGA的发展使FPGA和ASIC出现相互融合，最终将终结ASIC时代。4) 动态可重构FPGA动态可重构FPGA是指在一定条件下：芯片不仅具有在系统重新配置电路功能的特性，而且还具有在系统动态重构电路逻辑的能力。动态可重构FPGA在器件编程结构上具有专门的特征，其内部逻辑块和内部连线的改变，可以通过读取不同的SRAM中的数据来直接实现这样的逻辑重构，时间往往在纳秒级，有助于实现FPGA系统逻辑功能的动态重构。5) 向高速可预测延时方向发展由于在一些高速处理的系统中，数据处理量的激增要求数字系统有大的数