1、 - 1 - 毕业论文文献综述 电子信息工程 现场可编程门阵列综述 摘要 ：现场可编程门阵列 (Field Programmable Gate Array， FPGA)作为一种可编程逻辑器件，它是在 PAL、 GAL、 EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物，在短短二十多年里从电子设计的外围器件逐步演变为数字系统的核心，在计算机硬件、通信、航空航天和汽车电子等诸多领域有着广泛的应用。它作为专用集成电路（ ASIC）领域中的一种半定制电路而出现，在解决了定制电路的不足的同时，又克制了原有可编程器件门电路数有限的缺点。随着功耗和成本 的进一步降低， FPGA 还将进入更多的应用领域。 关键
2、词 ：现场可编程门阵列 (FPGA)；可编程器件；可编程时间控制器 1、 序言 现场可编程门阵列 (Field Programmable Gate Arrays， FPGA)是一种可编程使用的信号处理器件，用户可通过改变配置信息对其功能进行定义，以满足设计需求。与传统数字电路系统相比， FPGA具有可编程、高集成度、高速和高可靠性等优点，通过配置器件内部的逻辑功能和输入输出端口，将原来电路板级的设计放在芯片中进行，不仅提高了电路性能，而且降低了印刷电路板设计的工作量 和难度，还更有效提高了设计的灵活性和效率 1。 2、 可编程器件发展历史 自 20世纪 70年代以来，可编程逻辑器件 (Prog
3、rammable Logic Device， PLD)作为一种通用型器件迅速发展起来，改变了采用固定功能器件、自下而上的传统数字系统设计方法。使用可编程逻辑器件 2，用户可通过编程的方式实现所需逻辑功能，而不必依赖由芯片制造商设计和制造的 ASIC芯片。 FPGA技术作为像元级处理的重要前端验证技术，与 ASIC技术相比，具有开发周期短、成本低和灵活性高等优点，已经有越来越多的 FPGA器件被用 来代替由 ASIC完成的高性能信号处理任务 3 按照结构区分， PLD的发展历程上前后共有 4种可编程逻辑器件类型： PLA、 PAL、 CPLD和 FPGA 4。 FPGA具有了门阵列器件的高集成度
4、和通用性，还具有着用户可编程的灵活性 5，在规模和密度上的发展并不受到整体架构的限制，同时 FPGA还具有功能强大的 EDA软件的支持，在随后的 20多年中得到了飞速发展。现场可编程门阵列 (FPGA)是一种通用器件 6，包含大量重复的可编程逻辑块 (CLB)、输入输出单元 (IOB)、可编程互连线 (PI)等基本单元 7。 FPGA采用了逻辑单元阵列 LCA(Logic Cell Array)这一新概念，内部包括可配置逻辑模块 CLB(configurable Logic Block)、输出输入模块IOB(Input 0utput Block)和内部连线 (Interconnect)三个部分
5、。 - 2 - FPGA采用不同于 PLD架构的设计方式，拥有较高的密度和容量，还具有 I/O多、功耗低等优点，然而其布线复杂 8，亦导致时序延迟，且呈非固定式，延迟时间较长。 目前 PLD FPGA供货商全部来自美国公司，主要是 Xilinx、 Altera、 Lattice、 Actel、 Atmel等。其中以 Xilinx和 Altera的市场占有率最大，是最大的可编程集成电路供货商。 Actel公司一直是世界反熔丝技术 FPGA的领先供应商，是军品级和宇航级器件的主要供应商。本文主要介绍 Xilinx产品系列。 3、 FPGA的前沿设计技术与未来发展趋势 在深亚微米制造工艺下，晶体管的
6、特征尺寸从 130 nm、 90 nm、 65 nm、 45 nm发展到更新的 32 am及 22 nm等， FPGA器件的密度和速度不断攀升，片上集成功能更加复杂，静态功耗也在不断增加，传输线延时已大大超过单 元电路的门延时，这些因素对传统半导体设计技术带来了巨大的挑战。 FPGA发展主要有以下几个值得注意的方向： (1)规模越来越大，集成度越来越高 早期的 FPGA规模只有几千门， 2006年 5月份， Xilinx公司推出世界上第一个 65nm FPGA系列 Virtex-5。基于 65nm三极栅氧化层技术、 11层铜布线工艺、低 K材料、新型镍硅自对准技术、新型ExpressFabri
7、c技术和 ASMBL架构，可以提供 330000个逻辑单元 (可编程逻辑门约 660万门 )和 1 200个用户 I 0。基于 Xilinx公司 FPGA XC4VLX60实现了流量处理原型系统原型系统逻辑占可用逻辑资源比例为 82 9。 (2)速度不断提高，性能不断提升 Xilinx 2006年推出的 Virtex一 5 Lx性能和利用率都很高，同时功耗大幅度降低。 Virtex一 5 Lx FPGA比上一代 90nm FPGA提供高出 30的性能，少占用 45的硅片面积，以及提供比上一代 90nm FPGA低 35的业界最低动态功耗。 Virtex一 5 Lx系列还通过性能优化的 IP块拥
8、有了 550MHz时钟频率。高性能 SelectIo特性提供了到 667Mbps DDR2 SDRAM和 1200Mbps QDR II SRAM等外部存储器的最快连接。ALtera公司于 2006年 11月份推出 Stratix III的 65nmFPGA系列。 Stratix III比前一代器件快 25，密度是前一代 FPGA的 2倍，功耗降低了 50，支持四十多个 I/O接口标准，具有业界一流的性能、灵活性和信号完整性。 (3)价格越来越低 FPGA市场的激烈竞争推动了价格的不断下调。基于 SRAM的 FPGA的价格下降很快，每 1万门的单价在 2004年底降至 1美元，到 2005年降
9、至 0.5美元。 Altera公 司于 2005年第二季度开始批量生产的低端 FPGA Cyclone，其约 33万门的产品将以 22美元的价格供货。相当于每一万门的单价为 0.65美元左右。 - 3 - (4)向可编程系统芯片 (S0PC)方向发展 可编程系统级芯片 (SOPC)具有 ASIC的高集成度、低功耗、小尺寸、低成本的优点，同时具有 FPGA的低风险、灵活和快速上市的优点。 Altera推出的支持新款 Cyclone FPGA系列的 NiosII嵌入式处理器，允许设计者在很短的时间内构建 个完整的可编程系统芯片，风险和成本比中小规模的 ASIC小。实现 PSOC主 要有两种途径，一
10、种是在 FPGA中嵌入专用功能的 IP核，实现 SOC的功能，另一种是将可编程逻辑 IP核嵌入到 SOC中。 10 4、 可编程时间控制器 可编程时间控制器（ Programmable Time Controller， PTC），也称可编程时控器、可编程时控开关。可编程时间控制器属自动控制领域的电器件，主要用于在多段时间周期内控制多个电路的开启或关闭，即具有多周期设置和多触点输出。该类产品工业与民用兼顾，智能化程度高且操作简便，一般来说，其主要性能如下 : 1 内置运算芯片，实行智能控制。定时控制，多段时间 控制，多点控制，分别可由用户根据需要设置，操作简单，控制可靠。 2 内设定时时钟，可数
11、字显示运行时间，如年、月、日、分、秒， 0.1秒， 0.01秒等，时间控制精度较高。 3 单、多路口输出。 4 自带按键设置、选择功能，使用极为方便。 其具有性能稳定、工作可靠，走时准确，操作直观简便，功耗低，寿命长等特点。可在多段时间周期内控制多个电路的开启或关闭，用户可根据需要，直接用器件的设置按键设定开和关的控制时间和周期，让电路按特定的周期进行循环控制工作。实现单机的自动化控制或与传统的控制设备连接使用，达到生产过 程的自动化。 5、 总结 FPGA在不断地向高集成度、大容量、高速度、低功耗、低价位的方向发展，在过去的 20多年里，应用领域的变化和半导体制造工艺的不断进步，对 FPGA
12、设计者不断提出各种挑战。目前最高水平的FPGA已采用 65nm、 11层铜布线，规模已达到 330000个逻辑单元（可编程逻辑门约 660万门）和 1200个用户 I/O，速度已达到 550MHz。为满足用户和市场日益变化的需求， FPGA不断在密度、功能、性能和功耗等方面演变，可以预言，随着挑战的发展，未来 FPGA的设计技术将表现出其巨大的潜力。 参考文献 1 潘锐捷 ,陈彪 ,刘西安 .可编程逻辑器件的历程与发展 J-电子与封装 2008(8) 2 吴继华 .Ahera FPGA CPLD 设计 M.北京 :人民邮电出版社 .2005:37 39. - 4 - 3 刘杰 ,牛燕雄 ,董伟
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