第1章 FPGA概述

隨著數(shù)字電路應(yīng)用越來越廣泛，傳統(tǒng)通用的數(shù)字集成芯片已經(jīng)難以滿足系統(tǒng)的功能要求，而且隨著系統(tǒng)復(fù)雜程度的提高，所需通用集成電路的數(shù)量呈爆炸性增長，使得電路的體積膨大，可靠性難以保證。此外，現(xiàn)代產(chǎn)品的生命周期都很短，一個電路可能需要在很短的周期內(nèi)做改動以滿足新的功能需求，對于采用通用的數(shù)字集成電路設(shè)計的電路系統(tǒng)來說即意味著重新設(shè)計和重新布線。因此，系統(tǒng)設(shè)計師們希望自己設(shè)計專用集成電路芯片（ASIC，Application Specific IC），而且希望ASIC芯片的設(shè)計周期盡可能短，最好是在實(shí)驗(yàn)室里就能設(shè)計出合適的ASIC芯片，并且立即投入實(shí)際應(yīng)用之中，因而出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程邏輯器件（FPLD，F(xiàn)ield Programmable Logic Device），其中應(yīng)用最廣泛的當(dāng)屬現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA，F(xiàn)ield Programmable Gate Array）和復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD，Complex Programmable Logic Device）。

早期的可編程邏輯器件只有可編程只讀存儲器（PROM）、紫外線可擦除只讀存儲器（EPROM）和電可擦除只讀存儲器（EEPROM）三種。由于結(jié)構(gòu)的限制，它們只能完成簡單的數(shù)字邏輯功能。

隨后，出現(xiàn)了一類結(jié)構(gòu)上稍復(fù)雜的可編程芯片，即可編程邏輯器件（PLD，Programmable Logic Device），它能夠完成各種數(shù)字邏輯功能。典型的PLD由一個“與”門和一個“或”門陣列組成，而任意一個組合邏輯都可以用“與-或”表達(dá)式來描述，所以，PLD能以乘積和的形式完成大量的組合邏輯功能。

這一階段的產(chǎn)品主要有PAL（Programmable Array Logic，可編程陣列邏輯）和GAL（Generic Array Logic，通用陣列邏輯）。PAL由一個可編程的“與”平面和一個固定的“或”平面構(gòu)成，或門的輸出可以通過觸發(fā)器有選擇地被置為寄存狀態(tài)。PAL 器件是現(xiàn)場可編程的，它的實(shí)現(xiàn)工藝有反熔絲技術(shù)、EPROM技術(shù)和EEPROM技術(shù)。還有一類結(jié)構(gòu)更為靈活的邏輯器件是可編程邏輯陣列（PLA，Programmable Logic Array），它也由一個“與”平面和一個“或”平面構(gòu)成，但是這兩個平面的連接關(guān)系是可編程的。PLA 器件既有現(xiàn)場可編程的，也有掩模可編程的。 在PAL的基礎(chǔ)上，又發(fā)展了一種通用陣列邏輯（GAL），如GAL16V8，GAL22V10等。它采用了EEPROM工藝，實(shí)現(xiàn)了電可擦除、電可改寫，其輸出結(jié)構(gòu)是可編程的邏輯宏單元，因而它的設(shè)計具有很強(qiáng)的靈活性，至今仍有許多人使用。這些早期的PLD器件的一個共同特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能，但其過于簡單的結(jié)構(gòu)也使它們只能實(shí)現(xiàn)規(guī)模較小的電路。

為了彌補(bǔ)這一缺陷，20世紀(jì)80年代中期。Altera和Xilinx分別推出了類似于PAL結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展型可編程邏輯器件（CPLD）和與標(biāo)準(zhǔn)門陣列類似的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），它們都具有體系結(jié)構(gòu)和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍寬等特點(diǎn)。這兩種器件兼容了PLD和通用門陣列的優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模的電路，編程也很靈活。與門陣列等其他ASIC相比，它們又具有設(shè)計開發(fā)周期短、設(shè)計制造成本低、開發(fā)工具先進(jìn)、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測試、質(zhì)量穩(wěn)定以及可實(shí)時在線檢驗(yàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品的原型設(shè)計和小批量（一般在10 000件 以下）產(chǎn)品生產(chǎn)之中。幾乎所有應(yīng)用門陣列、PLD和中小規(guī)模通用數(shù)字集成電路的場合均可應(yīng)用FPGA和CPLD器件。

Xilinx 的 FPGA 產(chǎn)品主要分為兩大類：一類是側(cè)重于低成本應(yīng)用、容量中等、性能可以滿足一般邏輯設(shè)計要求的Spartan系列；另一類是側(cè)重于高性能應(yīng)用、容量大、性能可滿足各類高端應(yīng)用的 Virtex 系列，用戶可以根據(jù)自己的實(shí)際應(yīng)用需要進(jìn)行選擇。目前高端的 Virtex系列已經(jīng)從最初的220 nm的Virtex發(fā)展到了最近的65 nm的Virtex5。