FPGA技术调研报告
——全方位认识FPGA
宋国辉 201092032
目录
第一章：概述 ···························································1
第一节 FPGA的发展概述 ···············································1
第二节 FPGA的结构概述 ···············································2
第二章：FPGA与各国发展 ···············································2
第一节 FPGA与国外发展 ···············································2
第二节 FPGA与中国发展 ···············································3
第三章：FPGA与生产厂家 ···············································3
第一节 FPGA与Xilinx
第二节 FPGA与Altera
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第四章：FPGA与开发语言 ···············································7
第一节 FPGA与Verilog ···············································7
第二节 FPGA与VHDL ···················································8
第五章：FPGA与应用 ···························.·············?·····.8
第一节 电路设计中FPGA的应用·········································8
第二节 产品设计······················································8
第三节 系统级应用····················································9
总结 ···································································9
参考文献 ·······························································9
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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
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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：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。
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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。
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第三章：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
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