第1章 FPGA简介.ppt

FPGA原理与应用 1.1 FPGA概述 FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列。它是一种新型的可编程逻辑器（Programmable Logic Device，PLD）。通过设计，FPGA能够完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74系列芯片，都可以用FPGA来实现。 1.1 FPGA概述 1.1.1 可编程逻辑器件发展简史 1.1.2可编程逻辑器件的分类 1.1.3 可编程逻辑器件的发展趋势 1.1.4 FPGA的主要生产厂家及其产品 1.1.1 可编程逻辑器件发展简史 可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）是20世纪70年代发展起来的一种新型器件，它的应用和发展不仅简化了电路设计，降低的开发成本，提高了系统的可靠性，而且给数字系统设计的设计方式带来革命性的变化。 从20世纪70年代发展到现在，已经形成了许多类型的产品，其结构、工艺、集成度、速度和性能都在不断改进和提高。 最早的PLD是1970年制成的可编程只读存储器PROM，PROM它由固定的与阵列和可编程的或阵列组成。采用熔丝工艺编程，只能写一次，不能擦除和重写。 可编程逻辑阵列（Programmable Logic Array，PLA）于20世纪70年代中期出现，它是由可编程的与阵列和可编程的或阵列组成的，但由于器件的资源利用率低，价格较贵，编程复杂，支持PLA的开发软件有一定难度，因而没有得到广泛应用。 可编程阵列逻辑器件（Programmable Array Logic，PAL）是1977年美国MMI公司（单片存储器公司）率先推出的，它由可编程的与阵列和固定的或阵列组成，采用熔丝编程方式，双极性工艺制造，器件的工作速度很高。由于它的输出结构种类很多，设计很灵活，因而成为第一个得到普遍应用的可编程逻辑器件，如PAL16L8。 通用阵列逻辑（Generic Array Logic，GAL）器件是1985年Lattice公司最先发明的可电擦写、可重复编程、可设置加密位的PLD。GAL在PAL基础上，采用了输出逻辑宏单元形式（Output Logic Macrocell ，OLMC）和E2PROM工艺结构。具有代表性的GAL芯片有GAL16V8和GAL20V8， 复杂可编程逻辑器件(CPLD，Complex PLD)是Lattice公司提出的在线可编程（ISP，In System Programmability）技术以后，于20世纪80年代初出现的。CPLD采用E2PROM工艺制作。其典型器件有Altera的MAX7000系列，Xilinx的7000和9500系列、Lattice的PLS/ispLSI系列和AMD的MACH系列。 现场可编程门阵列（FPGA，Field Programmable Gate Array）器件是Xilinx公司在1985年首家推出的，它是一种新型的高密度PLD，采用CMOS-SRAM工艺制作。FPGA的结构一般分为三部分：可编程逻辑块、可编程I/O模块和可编程内部连线。CLB的功能很强，不仅能够实现逻辑函数，还可以配置成RAM等复杂的形式。配置数据存放在片内的SRAM或熔丝图上，基于SRAM的FPGA器件工作前需要从芯片外部加载配置数据。配置数据可以存储在片外的E2PROM/FLASH或计算机上，设计人员可以控制加载过程，在现场修改器件的逻辑功能，即所谓现场可编程。FPGA出现后受到电子设计工程师们的普遍欢迎，发展十分迅速。Xilinx、Altera、Actel等公司都能提供高性能的FPGA芯片。 20世纪末出现SOPC（片上可编程系统）器件。SOPC器件结合了SOC和FPGA各自的优点，集成了硬核或软核CPU、DSP、存储器、外围I/O及可编程逻辑，用户可以利用SOPC平台自行设计各种高速高性能的DSP处理器或特定功能的CPU处理器，使电子系统设计进入了一个全新的模式。在应用的灵活性和价格上SOPC有极大的优势，被称为“半导体产业的未来”。 Xilinx公司和Altera公司的新一代FPGA集成了中央处理器(CPU)或数字处理器(DSP)内核，在一片FPGA上进行软硬件协同设计，为实现SOPC提供了强大的硬件支持。 1.1.2 PLD器件的分类 3.按结构特点分类 1）基于乘积项（Product-Term）结构的PLD器件 2）基于查找表（Look Up Table,LUT）结构的PLD器件 1.1.3 可编程逻辑器件的发展趋势 1. 最先进的生产工艺广泛应用于以FPGA为代表的可编程逻辑器件 40nm系列产品大获成功的基础上，Alte