FPGA的原理和設計

　　今天，數字電子系統的設計方法及設計手段都發(fā)生了根本性變化，正由分立數字電路向可編程邏輯器件(PLD，ProgrammableLogic Device)及專(zhuān)用集成電路(ASIC，Application Specific IntegratedCircuit)轉變。FPGA與CPLD(Programmable LogicDevice，復雜可編程邏輯器件)都屬于PLD的范疇，它們在現代數字系統設計中正占據越來(lái)越重要的地位。

　　FPGA是由用戶(hù)編程來(lái)實(shí)現所需邏輯功能的數字集成電路，它不僅具有設計靈活、性能高、速度快等優(yōu)勢，而且上市周期短、成本低廉。FPGA設計與ASIC前端設計十分類(lèi)似，在領(lǐng)域中FPGA應用日益普及，已成為集成電路中最具活力和前途的產(chǎn)業(yè)。同時(shí)，隨著(zhù)設計技術(shù)和制造工藝的完善，器件性能、集成度、工作頻率等指標不斷提升，FPGA已越來(lái)越多地成為系統級芯片設計的首選。

　　FPGA由PAL(可編程陣列邏輯)、GAL(通用陣列邏輯)發(fā)展而來(lái)，其基本設計思想是借助于EDA開(kāi)發(fā)工具，用原理圖、狀態(tài)機、布爾表達式、硬件描述語(yǔ)言等方法進(jìn)行系統功能及算法描述，設計實(shí)現并生成編程文件，最后通過(guò)編程器或下載用目標器件來(lái)實(shí)現。

　　FPGA器件采用邏輯單元陣列(LCA，Logic CellArray)結構、SDRAM工藝，其中LCA由三類(lèi)可編程單元組成。

　　(1)可配置邏輯塊(CLB，Configurable LogicBlock)：被稱(chēng)為核心陣列，是實(shí)現自定義邏輯功能的基本單元，散布于整個(gè)芯片;

　　(2)輸入/輸出模塊(IOB，Input/OutputBlock)：排列于芯片四周，為內部邏輯與器件封裝引腳之間提供可編程接口;

　　(3)可編程互連資源(PI，Programmable Interconnect)：包括不同長(cháng)度的連線(xiàn)線(xiàn)段及連接，其功能是將各個(gè)可編程邏輯塊或I/O塊連接起來(lái)以構成特定電路。

　　全球生產(chǎn)FPGA的廠(chǎng)家很多，但影響力最大的是Xilinx公司和Altera公司，世界上第一片FPGA是在20世紀80年代中期Xilinx公司率先推出的。不同廠(chǎng)家生產(chǎn)的FPGA在可編程邏輯塊的規模、內部互連線(xiàn)結構及所采用的可編程元件上存在較大差異，實(shí)際使用時(shí)應注意區分

　　FPGA設計包括描述層次及描述領(lǐng)域兩方面內容。通常設計描述分為6個(gè)抽象層次，從高到低依次為：系統層、算法層、寄存器傳輸層、邏輯層、電路層和版圖層。對每一層又分別有三種不同領(lǐng)域的描述：行為域描述、結構域描述和物理域描述。

　　系統層是系統最高層次的抽象描述，針對于電子系統整體性能。算法層又稱(chēng)為行為層，它是在系統級性能分析和結構劃分后對每個(gè)模塊的功能描述。算法層所描述的功能、行為最終要用數字電路來(lái)實(shí)現。而數字電路本質(zhì)上可視為由寄存器和組合邏輯電路組成，其中寄存器負責信號存儲，組合邏輯電路負責信號傳輸。寄存器傳輸層描述正是從信號存儲、傳輸的角度去描述整個(gè)系統。寄存器和組合邏輯本質(zhì)上是由邏輯門(mén)構成，邏輯層正是從邏輯門(mén)組合及連接角度去描述整個(gè)系統。

　　FPGA各個(gè)描述層次及綜合技術(shù)關(guān)系如圖1所示。傳統的綜合工具是將寄存器傳輸級(RTL)的描述轉化為門(mén)級描述。隨著(zhù)以行為設計為主要標志的新一代系統設計理論的不斷成熟，能夠將系統行為級描述轉化為RTL描述的高層次綜合技術(shù)不斷涌現。

　　作為現代集成電路設計的重點(diǎn)與熱點(diǎn)，FPGA設計一般采用自頂向下、由粗到細、逐步求精的方法。設計最頂層是指系統的整體要求，最下層是指具體的邏輯電路實(shí)現。自頂向下是將數字系統的整體逐步分解為各個(gè)子系統和模塊，若子系統規模較大則進(jìn)一步分解為更小的子系統和模塊，層層分解，直至整個(gè)系統中各子模塊關(guān)系合理、便于設計實(shí)現為止。

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