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FPGA到底是什么?

2020/10/25    来源:牛喀网    作者:驾驶员Connie      
关键字:FPGA  
本文主要介绍了FPGA的发展历史、特征等。
    近几年来,几乎没有电路设计工程师没听说过“FPGA”这个词。作为能够大幅提高生产性的可编程器件,逐渐被广为熟知,FPGA工程师也在急剧增加。如今,我们每天都在接触采用FPGA所制作出来的设备。
 
    比如,在日常消费中,大家考虑购买的平板液晶等离子电视、硬盘录像机,FPGA就是安装在这些与音频/视觉相关的产品中。除此之外,FPGA还广泛应用于计算机、手机基站和通信基础设施相关的设备。 但是,FPGA到底是什么呢?它的便利到底体现在哪些方面呢?很少人可以准确的回答些问题。
 
    所谓FPGA,即"现场可编程门阵列"(Field Programmable Gate Array)。
 
    一种开发者在短时间内利用个人电脑就可以在其上面实现自己想要的功能,而且可以多次重写的廉价设备。事实上, FPGA已经得到了全球大多数用户的支持。在2005年时,在isuppli提供的调查报告中显示,ASIC和PLD (包含FPGA可编程产品) 的销售量排名中,世界前五名里有两个是FPGA供应商。在业界中,美国XILINX排名世界第一位,IBM排名世界第二位,美国Altera排名世界第四位。
 
    1 FPGA的诞生背景
 
    Xilinx首创了FPGA这一创新性的技术,并于1985年首次推出商业化产品“XC2000”。
 
    当时的半导体器件以CMOS LSI为主流,相继出现了大规模的逻辑系统。“门阵列”是当时将逻辑系统LSI化的最简单方法。门阵列是指由半导体厂商准备出已经在硅片上形成了被称为基本单元的逻辑门的母板,通过按照用户希望的电路进行布线,在母板上形成电路的半客户定制品芯片。虽然是ASIC(Application Specific Integrated Circuit)中设计和开发的成本和周期最短的,但仍需要几个星期的开发时间。
 
    另一方面,从PROM(Programmable Read Only Memory)派生出来的现场可编程器件PLA(Programmable Logic Array)得到广泛应用。PLA为一个逻辑器件,用户进行现场(应用领域)编程。PLA是以集成结构为特征的逻辑LSI,它能够通过与PROM程序相同的设备,写入连接信息。然后,EPROM和EEPROM之类的新设备相继出现,因为实用且容易使用而广受欢迎。然而,还是难以自由实现任意的大规模逻辑,它们都只能起到辅助作用。
 
    在这样的背景下出现的XC2000系列,是PLA领域第一款兼容现场可编程性和门阵列设计自由度的FPGA器件。通过将用户设计的逻辑信息和布线信息加载到内置SRAM型存储单元结构的存储中,使回路按照设计作动。
 
    在FPGA诞生的初期,计算机研究员是最先感受到FPGA的巨大优势的。在此之前,要想实现一个新计算机体架构的设计想法,必须要开发一个ASIC作为原型,在面板上安装很多个体积庞大的IC。但是,与这些需要投入巨大成本和精力的方式不同,一旦用户创建了具有多个FPGA的原型板,就可以立即运行您设计的新架构。而且,修正和更改规格也变得轻松简单。因此,许多新的架构应运而生因此,对可重构处理器的研究和对新FPGA架构的研究也开始蓬勃发展,在此之后,FPGA使用灵活,适用性强的特征在通信/图像处理领域也大获好评,并将其应用于路由器等通信网络的各种设备中。
 
    与ASIC的概念截然相反,FPGA的概念是在短时间能以低成本让用户得到想要的逻辑,这一概念得到了用户的支持。然而,在FPGA发布初期,并没有获得业界人士的认同和支持。初期的FPGA实际集成度仅为门阵列的1/5,其原因是当时的设计工具无法充分利用器件特性进行设计。 如今,通过先进的半导体工艺技术,65/90nm这类的芯片提高了集成度,各种设计工具得到了发展,可以高集成度,高效率地进行设计。不过,我认为FPGA能够普及的最大原因是它的价格。FPGA器件本身的价格已经降到了所有人都能接受的价格范围内。
 
FPGA和ASIC的对比
FPGA和ASIC的对比
 
    2 关于FPGA的编程技术
 
    2000年初,SRAM是当时主流的FPGA编程技术,除此之外还有各种其他类型的FPGA编程技术。
 
    在20世纪80年代后期,出现了一种具有与SRAM型FPGA不同概念的技术,被称为“熔丝技术”(反熔丝技术)。在熔丝技术中,电路的连接点是熔丝,通过烧掉熔丝形成回路。反熔丝元件是一种只能编程一次的存储元件,一旦编程,它就会以低阻抗导通。据说它比SRAM器件更紧凑,可以实现高集成度、低阻抗的高速运行。熔丝技术(反熔丝技术)的弊端是不能重写,不能反复使用。此外,难以降低的价格也是其缺点。
 
    与此同时,又一个新的器件“CPLD”(Complex PLD)发布了。这是一个通过将多个小型 PLD 集成到一个 LSI 中形成的可以实现任意大规模逻辑电路的PLD。与小规模PLD一样,非易失性和可重写的易用性是CPLD的最大特点。但是,CPLD在设计自由度方面不如FPGA高。
 
    在1990年代,出现了使用Flash memory的“FLASH型FPGA”。Flash型FPGA同时具备了SRAM技术和反熔丝技术的两大有点,即可重写和非易失性。但是,由于其构造和制造工序复杂,难以提高集成度和降低价格。因此,Flash基本没有被用在大规模、高速运行的FPGA中。
 
FPGA和PLD的架构FPGA和PLD的架构
 
   基于SRAM的FPGA和CPLD是目前的主流工艺,高速和大规模的应用使用基于SRAM的FPGA,对不需要高速和规模的应用容易上手的CPLD是最合适的。无论哪种,都有制造简单和价格便宜的优点。
FPGA和PLD的放置
FPGA和PLD的放置
 
    本期,我们主要介绍了FPGA的发展历史、特征等,相信大家已经对FPGA已经有了基本的了解,下篇,我们将深入介绍FPGA的构成和开发过程。
责任编辑:杨培
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