现在生产FPGA的主要公司有Xilinx、Altera、QuickLogic、Lattice等,其中Altera和Xilinx主要生产一般用途FPGA,其主要产品采用RAM工艺。Actel主要提供非易失性FPGA,产品主要基于反熔丝工艺和FLASH工艺。虽然这些公司生产的FPGA芯片的性能指标和具体结构、性能指标各不相同,但有一个共同点,就是都由逻辑功能块排列成阵列,并由可编程的互联资源连接这些功能块,实现的设计要求。
FPGA的基本结构如图3-1所示。包括三类基本结构:可编程逻辑功能块、可编程互连资源和可编程I/O模块。
图3-1 FPGA的基本结构
FPGA的基本特点
1)采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路),用户不需要投片生产,就能得到合用的芯片。
2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。
3)FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。
4)FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。
5) FPGA采用高速CHMOS工艺,功耗低,可以与CMOS、TTL电平兼容。
可以说,FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。
下面以世界上最大的可编程器件供应商Altera公司为例子,对Altera公司的FPGA芯片及其集成开发环境进行介绍。
经过多年的发展,Altera公司的FPGA从过去单一的FLEX10K系列,已经发展到现在的多个系列,形成了从低端到高端的一系列产品。规模从最初的几千门发展到百万门以上,包含从FLEX10K系列基础上发展起来的ACEX1K系列,以及规模较大和性价比又高的Cyclone系列,规模更大和功能更强的APEX系列,和高端的Stratix系列。这些系列的FPGA普遍采用了如低电压供电,IO电压与核电压分开的等许多新技术。片内集成了大容量的存储器。给电路设计提供了极大的方便。为满足不同接口之间的电平要求,用户可以根据自己的需要设置IO电压。此外,在一些高端的FPGA芯片中根据需要可以集成DSP,甚至内嵌微处理器软核,在FPGA中构建微处理器,使复杂的电路集成在一块FPGA上实现,能够让FPGA的性能进一步提高。从ACEX1K系列开始,为了进一步提高FPGA的工作速度,锁相环技术开始普遍地应用在FPGA芯片上。时钟通过锁相环进行倍频,可以让较慢的外部时钟在FPGA中驱动高速电路工作。ALtera公司较新生产的FPGA都设置了差分输入管脚,IO脚能输入的频率最高能达到604MHz,改善了输入输出性能。基于FPGA的电路设计,将随着FPGA技术的不断发展,变得越来越简单可靠。
在推出各个系列的FPGA芯片的同时,Altera公司也提供了对应的开发软件。通过这些软件,我们能按自己的需求进行电路设计。MaxPlusII、QuartusII是Altera提供的常用两种软件平台。如MaxPlusII和QuartusII这样的软件开发环境称之为集成开发环境,就是把许多开发工具集成在一个软件系统中,就形成了集成开发环境。时间上,MaxPlusII出现得比较早,主要支持的FPGA芯片为FLEX10K及ACEX1K系列。而在FPGA种类上,QuartusII支持的种类要多得多。几乎Altera现有的所有FPGA在QuartusII3.0以上版本都能支持,相比MaxPlusII多了许多的新功能,操作界面也更加人性化。以上两个软件集成了从电路设计开始,至综合,适配到最终下载以及在线配置FPGA,这些电路设计过程中需要的所有开发工具,还可对设计的电路进行功能仿真,以及对适配后最终形成的电路进行时序仿真。简而言之,就是在这个集成开发环境中可以完成基于FPGA电路设计过程中的全部工作。另外,MaxPlusII和QuartusII还提供如计数器、存储器、加法器、乘法器等LPM模块这些常用电路,当电路设计需要用到这些模块时,直接调用即可,是开发过程大大简化了。除了这些PLM模块。Altera公司还开发了许多有偿的IP核服务。这些IP核包括了很多如通信系统等复杂的模块,功能十分强大。使用这些IP核将使设计过程大大简化,缩短开发周期。
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