FPGA應用技術及其發展

左騏

摘 要：FPGA技術在電子設計領域應用廣泛，逐漸成為設計實現電子系統的主要手段。本文主要介紹了FPGA技術的特點、設計流程及其發展趨勢。

關鍵詞：現場可編程門陣列；FPGA；設計流程

1 引言

在數字電路設計中，FPGA（Field Programmable Gate Array，現場可編程門陣列）技術得到越來越廣泛的應用。用戶可以通過改變配置信息對其功能進行重新定義，來滿足設計要求。FPGA具有可編程、高集成度、高速等優點。其可編程特性帶來了電路設計的靈活性，縮短了產品研發周期。FPGA技術已經成為電子工程師設計實現電子系統的主要手段。

2 FPGA簡介

FPGA是PAL（Programmable Array Logic，可編程陣列邏輯）、GAL（Generic Array Logic，通用陣列邏輯）、PLD（Programmable Logic Device，可編程邏輯器件）等可編程器件的基礎上發展起來的。FPGA是一種半定制專用集成電路（ASIC），它的出現既解決了全定制ASIC的不足，又克服了原有PLD電路數有限的缺點。

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）的結構，內部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸入輸出模塊IOB（Input Output Block）和內部連線（Interconnect）三部分。

FPGA的主要特點有：

（1）采用FPGA設計ASIC電路，用戶不需要投片生產，就能得到合用的芯片。

（2）FPGA內部有豐富的觸發器和I/O引腳。

（3）FPGA是ASIC電路中設計周期最短、開發費用最低、風險最小的器件之一。

（4）FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。

（5）FPGA具有設計靈活、開發周期短、功耗低等特點。

3 設計流程

FPGA設計是指利用開發軟件和編程工具對器件進行開發的過程，它主要包括五個過程：

3.1 設計準備

在進行設計之前，首先要進行方案論證、系統設計和器件選擇等設計準備工作。設計者首先要根據任務要求，如系統所完成的功能和復雜程度，對工作速度和器件本身的資源和成本、連線的可布性等方面進行權衡，選擇合適的方案和合適的器件類型。

3.2 設計輸入

設計者將所設計的系統或電路以開發軟件要求的某種形式表示出來并輸入到計算機的過程稱為設計輸入。常用的有三種方式，即原理圖、硬件描述語言（HDL）、波形輸入。

3.3 設計處理

在設計處理過程中，編譯軟件將對設計輸入的文件進行邏輯化簡、綜合優化，并且適當地用一片或多片器件自動地進行適配，最后產生編程用的編程文件。設計處理應當包括以下五個過程：語法檢查和設計規則檢查、邏輯優化和綜合、適配和分割、布局布線、生成編程數據文件。

3.4 設計驗證

設計驗證包括功能仿真和時序仿真，這兩項工作是在設計處理過程中同時進行的。功能仿真是在設計輸入完成之后，在選擇具體的器件進行編譯之前進行的邏輯功能驗證，因此又稱為前仿真，此仿真無延時信息，對于系統初步的功能檢測非常方便。仿真前首先要利用波形編輯器或硬件描述語言建立測試向量，仿真結果以報告或波形的形式輸出，從中可以看出各個節點的結果，如果有錯誤，則返回設計輸入中修改邏輯設計。時序仿真是在選擇了具體器件并完成布局布線之后進行的時序關系仿真，因此也稱為后仿真，由于不同的器件內部的延時不一樣，不同的布局、布線方案也能引起不同的延時，因此在設計處理以后，對系統和各模塊進行時序仿真、分析其時序關系，估計設計的性能以及檢查和消除競爭冒險是非常有必要的。

3.5 器件編程

編程是將編程數據寫到可編程器件中去。器件編程要滿足一定的條件，如編程電壓、編程時序和算法等。器件編程完畢之后，可以用編譯時產生的文件進行檢驗、加密等工作。

4 FPGA發展趨勢

4.1基于FPGA的嵌入式系統（SOPC System-on-a-Programmable-Chip ）技術正在成熟

System on Chip（SOC）技術在芯片設計領域被越來越廣泛地采用，而SOPC技術是SOC技術在可編程器件領域的應用。這種技術的核心是在FPGA芯片內部構建處理器。Altera公司為NIOSII軟核處理器提供了完整的軟硬件解決方案，可以讓客戶短時間完成SOPC系統的構建和調試工作。

4.2 FPGA芯片向高性能、高密度、低壓和低功耗的方向發展

在高性能計算和高吞吐量I/O應用方面，FPGA已經取代了專用的DSP芯片，成為最佳的實現方案。因此，高性能和高密度也成為衡量FPGA芯片廠家設計能力的重要指標。

隨著FPGA性能和密度的提高，功耗也逐漸成為了FPGA應用的瓶頸。雖然FPGA比DSP等處理器的功耗低，但是要明顯高于專用芯片（ASIC）的功耗。FPGA的廠家也在采用各種新工藝和技術來降低FPGA的功耗，并且已經取得了明顯的效果。

4.3基于IP庫的設計方法

未來的FPGA芯片密度不斷提高，傳統的基于HDL的代碼設計方法很難滿足超大規模FPGA的設計需要。隨著專業的IP庫設計公司不斷增多，商業化的IP庫種類會越來越全面，支持的FPGA器件也會越來廣泛。

作為FPGA的設計者，主要的工作是找到適合項目需要的IP庫資源，然后將這些IP整合起來，完成頂層模塊設計。隨著FPGA密度不斷提高和IP庫的價格逐漸趨于合理化，這種設計方法將會成為主流的FPGA設計技術。

5 結束語

隨著半導體制造工藝水平的不斷提高，FPGA在集成度提高同時，制造成本將大幅下降。憑借其高性能、開發周期短等優勢，FPGA技術將在電子系統設計領域扮演越來越重要的角色。

參考文獻：

[1]劉麗華，辛德祿，李本俊.專用集成電路設計方法，北京：北京郵電大學出版社，2000.

[2]褚振勇，翁木云.FPGA設計及應用，西安：西安電子科技大學出版社，2002.

（作者單位：西安電子工程研究所）