FPGA技术介绍及展望课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,FPGA,技术介绍及展望,FPGA,技术简介,FPGA,的发展现状,FPGA,的发展,1,FPGA技术介绍及展望FPGA技术简介1,FPGA,技术简介,可编程逻辑器件的发展历史,PLD,及,IC,开发,EDA,工具,常用,FPGA,开发语言 硬件描述语言,FPGA,（,Field Programmable Gate Array),现场可编程门阵列,2,FPGA技术简介可编程逻辑器件的发展历史FPGA（Field,可编程逻辑器件的发展历史,早可编程逻辑器件主要有：只读存贮器,(PROM),、紫外线可擦除只读存贮器,(EPROM),和电可擦除只读存贮器,(EEPROM),三种。结构简单，只能完成简单的数字逻辑功能,PAL,、,PLA,结构稍复杂，由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，都可以现场可编程，两个平面的连接关系也可编程，能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。,通用阵列逻辑,GAL(Generic Array Logic),，采用了,EEPROM,工艺，实现了电可擦除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性。,早期,PLD,实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路,20,世纪,80,年代中期,推出,CPLD(Complex Programmab1e Logic Dvice),和与标准门阵列类似的,FPGA(Field Programmable Gate Array,）,3,可编程逻辑器件的发展历史早可编程逻辑器件主要有：只读存贮器(,FPGA,CPLD,概述,FPGA,CPLD,的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用,IC,芯片。相当一个子系统部件。,FPGA/CPLD,结构由三大部分组成的。,1.,一个二维的逻辑块阵列，构成了,PLD,器件的逻辑组成核心。,2.,输入输出块。,3.,连接逻辑块的可编程内部连线资源。连线资源：由各种长度的连线线段组成，其中有一些可编程的连接开关，它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入输出块之间的连接。,对用户而言，,CPLD,与,FPGA,的内部结构稍有不同，但用法一样，所以多数情况下，不加以区分。,用户可以反复编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同的开发软件在,FPGA,上实现不同的逻辑功能。,4,FPGACPLD 概述FPGACPLD的规模比较大，它可,FPGA,结构,5,FPGA结构5,CPLD,结构,6,CPLD结构6,FPGA,CPLD,的应用,随着,VlSI,工艺的不断提高，单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，,FPGA,CPLD,芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。,FPGA,CPLD,芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能定义。所以，,FPGA,CPLD,的资金投入小，节省了许多潜在的花费。用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不同的功能。用,FPGA,PLD,试制样片，能以最快的速度占领市场。,FPGA,CPLD,软件包中有各种输入工具和仿真工具，及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出,FPGA,CPLD,的优势。电路设计人员使用,FPGA,CPLD,进行电路设计时，不需要具备专门的,IC(,集成电路,),深层次的知识，,FPGA,CPLD,软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。,7,FPGACPLD 的应用 随着VlS,PLD,及,IC,开发,-EDA,工具,EDA,（,Electronic Design Automation,）即“电子设计自动化”，是指以计算机为工作平台，以,EDA,软件为开发环境，以硬件描述语言为设计语言，以可编程器件,PLD,为实验载体,(,包括,CPLD,、,FPGA,、,EPLD,等,),，以集成电路芯片为目标器件的电子产品自动化设计过程。因此，,EDA,工具在电子系统设计中所占的份量越来越高。下面就介绍一些目前较为流行的,EDA,工具软件。,8,PLD及IC开发-EDA工具EDA（Electron,集成的,PLD/FPGA,开发环境,由半导体公司提供，基本上可以完成从设计输入（原理图或,HDL,）仿真综合布线下载到器件等囊括所有,PLD,开发流程的所有工作。如,Altera,公司的,Maxplus,、,Quartus,，,Xilinx,公司的,ISE,，,Lattice,公司的,ispDesignExpert,等。其优势是功能全集成化，可以加快动态调试，缩短开发周期；缺点是在综合和仿真环节与专业的软件相比，都不是非常优秀的。,9,集成的PLD/FPGA开发环境 由半导体,综合类,EDA,软件,EDA,软件的功能是对设计输入进行逻辑分析、综合和优化，将硬件描述语句（通常是系统级的行为描述语句）翻译成最基本的与或非门的连接关系（网表），导出给,PLD/FPGA,厂家的软件进行布局和布线。为了优化结果，在进行较复杂的设计时，基本上都使用这些专业的逻辑综合软件，而不采用厂家提供的集成,PLD/FPGA,开发工具。如,Synplicity,公司的,Synplify,、,Synopsys,公司的,FPGAexpress,、,FPGA Compiler,等。,10,综合类EDA软件 EDA软件的功能是对设计输入进,仿真类软件,这类软件的功能是对设计进行模拟仿真，包括布局布线（,P&R,）前的“功能仿真”（也叫“前仿真”）和,P&R,后的包含了门延时、线延时等的“时序仿真”（也叫“后仿真”）。复杂一些的设计，一般需要使用这些专业的仿真软件。因为同样的设计输入，专业软件的仿真速度比集成环境的速度快得多。此类软件最著名的要算,Model Technology,公司的,Modelsim,，,Cadence,公司的,NC-Verilog/NC-VHDL/NC-SIM,等。,11,仿真类软件 这类软件的功能是对设计进行,常用的,FPGA,开发语言硬件描述语言,硬件描述语言,HDL,是一种用形式化方法描述数字电路和系统的语言。利用这种语言，数字电路系统的设计可以从上层到下层（从抽象到具体）逐层描述自己的设计思想，用一系列分层次的模块来表示极其复杂的数字系统。然后，利用电子设计自动化（,EDA,）工具，逐层进行仿真验证，再把其中需要变为实际电路的模块组合，经过自动综合工具转换到门级电路网表。接下去，再用专用集成电路,ASIC,或现场可编程门阵列,FPGA,自动布局布线工具，把网表转换为要实现的具体电路布线结构。,12,常用的FPGA开发语言硬件描述语言 硬件描述语,VHDL:1995,年以前唯一制订为标准的硬件描述语言，不具有晶体管开关级的描述能力和模拟设计的描述能力。目前的看法是，对于特大型的系统级数字电路设计，,VHDL,是较为合适的。,Verilog HDL:,是在,1983,年，提出了用于快速门级仿真的,XL,算法。随着,Verilog-XL,算法的成功，,Verilog HDL,语言得到迅速发展。基于,Verilog HDL,的优越性，,Verilog,有了模拟设计描述的能力。,Superlog,一种新的系统级硬件描述语言，提供更多级别的硬件综合抽象级，为各种系统级的,EDA,软件工具所利用。,Superlog,是一种具有良好前景的系统级硬件描述语言。,SystemC,系统级设计语言，能同时实现较高层次的软件和硬件描述的系统级设计语言，满足,SoC,的设计要求。,常用的,FPGA,开发语言硬件描述语言,13,VHDL:1995年以前唯一制订为标准的硬件描述语言，不,FPGA,的发展前景,65nm,器件及提供高性能与低成本的多样化应用平台,FPGA,产业的每次重大飞跃都离不开半导体生产工艺的更新，它是半导体业最前沿的生产工艺、更新速度最快。从,130nm,到,90nm,再到,65nm,。生产工艺的不断升级带给,FPGA,更高的密度、更快的速度、更低的成本。,FPGA,厂商亦竞争激烈，一方面帮助用户提供更多设计方案，进一步缩小产品尺寸、降低成本与功耗，另一方面为提升,FPGA,竞争力，拓宽其市场增值空间。,FPGA,业界双雄争先恐后发布基于,65nm,的产品系列。,Altera,发布了,Stratix III,系列，,Xilinx,宣布推出第二个系列的,VIRTEX-5 LXT,。之后，半导体制造工艺将采用,32nm,节点，芯片制造商可以制造包含数十亿个晶体管的单芯片产品，采用这种工艺的,FPGA,会包含一亿个可编程逻辑门，而且,FPGA,平台会采用创新的封装技术将存储器、模拟混合信号电路、通用接口、传感器、各种,I/O,集成到一起，这样的,FPGA,会成为许多电子产品的核心。,65nm,工艺提升,FPGA,竞争力,14,FPGA的发展前景65nm工艺提升FPGA竞争力14,FPGA,的发展前景,自,1990,年来，,FPGA,的成本降低了,500,倍、功耗降低了,50,倍、逻辑容量提高了,200,倍、速度快了,40,倍，到,2010,年，,FPGA,在价格上降低,5,倍，容量增大,5,倍，单位功耗会有多,5,倍的功能，另外速度还会提升,5,倍，除了可编程逻辑功能外，,FPGA,还集成了很多,IP,硬核，例如最新的,PCIe&,以太网模块、高速串行收发器、,DSP,模块以及嵌入式处理器等向,SoC,发展。这与传统,DSP,和,CPU,等处理器的发展方向类似，它们也在片上集成了各种硬件加速器，为特定应用提供更高的性能。,FPGA,通过把更多硬核集成进去，能够适合更多特定的市场，这是一个趋势，不过和同类方案相比，,FPGA,是可编程的，继承了很多可编程特性。,除了这种片上集成外，,FPGA,在未来有另一种革命性的趋势，即利用系统级封装技术,(SiP),实现“虚拟,SoC”,。虚拟,SoC,可能会在同一个封装中集成传感器阵列、处理器、存储器、通用接口、混合信号和高压,I/0,等器件，以替代带有固化,IP,的大芯片。由于是多个裸片，每种器件都可以使用最适合自己的工艺，在降低成本、功耗和体积的同时，保持了高性能。,FPGA,向,SoC,和专用化发展，做为设计通用平台,15,FPGA的发展前景自1990年来，FPGA的成本降低了500,FPGA,的发展前景,Xilinx,推出业界应用最广泛设计套件,ISE9.1i,Altera,发布,QuartusII,，延续效能优势：,对于,FPGA,、,CPLD,以及结构化,ASIC,设计，,QuartusII,是性能和效能首屈一指的设计软件。与高端,65nm,竞争,FPGA,相比，,QuartusII,软件和,StratixIIIFPGA,现在具有两个速率等级优势，而且编译时间快,3,倍。,Actel,发布,LiberoIDEv8.1,版本，助力便携式设计：,基于,FPGA,的嵌入式系统,EDA,平台,16,FPGA的发展前景Xilinx推出业界应用最广泛设计套件IS,FPGA,的发展前景,FPGA,主要向两个方向发展以更好地满足系统要求：高密度,/,高性能应用和中等密度,/,成本的敏感型应用。,Altera,表示，低成本和高性能这两类产品在架构和成本结构上都有独特的要求，低成本产品将挑战目前许多中低密度,ASIC,应用，而高性能产品将被做得越来越大，超过,200,万,ASIC,门，主频速度高于,300 MHz,。它将挑战高端,ASIC,和其他系统元器件市场，例如网络处理器及高端,DSP,处理器。未来,Alter