FPGA
基础知识培训
2012.08.27
目½
1、FPGA
简介...................................................................................................................................2
1.1 FPGA
和
CPLD
比较.............................................................................................................2
2. FPGA
厂商..................................................................................................................................3
2.1 Xilinx（赛灵思）.............................................................................................................3
2.2 Altera...................................................................................................................................4
2.3 lattice（莱迪思）............................................................................................................4
2.4
其他厂商............................................................................................................................5
2.5
½内厂商............................................................................................................................5
3. FPGA
与其他处理器的区别......................................................................................................6
4. FPGA
结构.....................................................................................................................................8
5.
编程语言....................................................................................................................................11
5.1 VHDL
和
verilog HDL .................................................................................................................11
5.2 HDL
与
C
语言................................................................................................................11
6．展望...........................................................................................................................................12
6.1
提升工艺..........................................................................................................................12
1
1、FPGA
简介
FPGA: Field Programmable Gate Array,
即现场可编程门阵列。
为什么叫现场？
与
FPGA
的结构组成有关。门？FPGA 里面的逻辑电路高电平或½电平导通或者
关闭，
像一扇门一样打开或关闭。
FPGA
的前身是
PAL、
GAL、
CPLD
等可编程器件，
PAL、GAL、CPLD
½为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，
因此通过专门的½件，一方面在
FPGA/CPLD
上面对设计的
ASIC
电路进行验证，
提升
IC
投片的成功率；另一方面一块
FPGA/CPLD
可以替代几十甚至几千块通用
IC
芯片，免去了投片的时间和成本 ，可以缩短产品开发周期，迅速占领市场。
1.1 FPGA
和
CPLD
比较
CPLD
逻辑门的密度在几千到几万个逻辑单元之间，一般采样
EEPROM
工艺，
，
所以具有非挥发性,不需要外部配½
ROM,具有保密性和有限次编程次数(根据不
同的结构，从
100
次到
1
万次不等)等特点，适合用在胶合逻辑(glue
logic（连
接复杂逻辑电路的简单逻辑电路的统称），如
DSP
芯片外围的译码逻辑),IO 扩
展，IO 电平½换，FPGA 芯片配½等应用场合。
FPGA
主要是指采用四输入查找表(LUT4)的基于
SRAM
的器件，因为
SRAM
是挥发的，
掉电丢失数据，
为了弥补这个缺点，
FPGA
需要外部配½
ROM，
上电的时候，从外部的
ROM
把
FPGA
的配½数据导入到
FPGA
芯片内部后工
½。具有
SRAM
的
FPGA
采用标准的
CMOS
制造工艺，可以随着最新的工艺
而更新换代。
随着芯片技术的发展，CPLD 和
FPGA
的概念已经模糊在一起，如
Altera
和
Lattice
公司把小容量(小于
2K
左右逻辑单元)非挥发的可编程器件½到
CPLD
里，如
Altera
的
MAXII
系列和
Lattice
的
MACH XO
系列芯片。把基于
SRAM
的
FPGA
和
FLASH
的储存单元做到一个芯片里面，已经跟传统的
CPLD
一样
了，不需要外加配½芯片；总之，我们可以简单的区分
FPGA
和
CPLD，CPLD：
小容量(<2K 左右
LE)的非挥发的可编程器件；其它的可编程器件½可½到
FPGA。
系统区别：
（1） ＣＰＬＤ保密性½，ＦＰＧＡ保密性差，外挂的配½芯片保密性差。
（2） ＣＰＬＤ的连续式布线结构决定了它的时序延迟是均匀的和可预测
的，而ＦＰＧＡ的分段式布线结构决定了其延迟的不可预测性
。
2
（3） ＦＰＧＡ的集成度比ＣＰＬＤ高，具有更复杂的布线结构和逻辑实现
FPGA
的灵活性更½，可以实现复杂和更多功½的逻辑电路，CPLD
适合实现复杂的组合电路，比如编解码器、状态机；
（4）
CPLD
是粗粒结构，FPGA 为细粒结构，
随著复杂可编程逻辑器件(CPLD)密度的提高，数字器件设计人员在进行大
型设计时，既灵活又容易，而且产品可以很快进入市场。许多设计人员已经感受
到
CPLD
容易½用、时序可预测和速度高等优点，然而，在过去由于受到
CPLD
密度的限制，他们只½½向
FPGA
和
ASIC。随着密度的增加，设计人员可以½
会到密度高达数十万门的
CPLD
所带来的½处。
目前，人们的设计大多数½在采用
FPGA，而不是 CPLD，受制于资源是一
方面，½够完成的逻辑功½比较单一，不便于系统的扩展；另一方面，FPGA 的
性价比更高，随着工艺的提高，内嵌了丰富的硬核，½够完成复杂的逻辑电路设
计。
2.
FPGA
厂商
随 着 可 编 程 逻 辑 器 件 应 用 的 日 益 广 泛 ，许 多 I C 制 造 厂 家 涉 足
PLD/FPGA 领 域 。 目 前 世 界 上 有 十 几 家 生 产 CPLD/FPGA 的 公 司 ，
最 大 的 三 家 是 ： LTERA， ILINX， attice， 中 ALTERA 和 XILINX
A
X
L
其
占 有 了 6 0 % 以 上 的 市 场 ½ 额 ， 成为 FPGA 领域的“可口可乐”与“百事可
乐”
，除此三家之外 FPGA 厂商很难有窜头的机会。FPGA 市场基本是 Altera 和
Xilinx 一统天下，他们的明争暗斗决定着 FPGA 的未来，各自½推出了 28nm 的
FPGA。
2.1
Xilinx（赛灵思）
Xilinx
½为半导½业界的著名
FPGA
厂商，
FPGA
的发明者，
FPGA
技术创新
为
做出了突出的贡献，拥有世界一半以上的
FPGA
市场，开发½件为
ISE。它成立
于
1984
年，总部设在加利福尼亚圣½塞市，
NASDAQ
上市公司
，全世界约有
2，
600
名员工，其中约一半是½件开发工程师，提供
90%的高端 65nm FPGA
产
3
品，财务状况非常稳定。于
1985
年首次推出
FPGA
商业化产品。目前
Xilinx
满
足了全世界对
FPGA
产品一半以上的需求。所以说，要想进入打破一个成熟的
市场，
必定要革½性的创新了，
就像
iphone
的出现一样。
2011
推出
FPGA Virtex7
包含了
2000000
个逻辑单元，内嵌
68M ram，内嵌的串行收发硬核带½达到了
2.78TB/S，秒杀现有的 FPGA。
2.2 Altera
总部½于硅谷的
Altera
公司(NASDAQ:
ALTR)自从 1983
年发明世界上第一
款可编程逻辑器件以来，一直是创新定制逻辑解决方案的领先者，世界老牌可编
程逻辑器件的厂家，是可编程逻辑器件的发明者，½不是
FPGA
的发明者，是
世界上“可编程芯片系统”（SOPC）解决方案倡导者。在欧洲和美½用
Xilinx
的
人多，在日本和亚太地区用
ALTERA
的人多，在
2011
年推出了
28nm
级的
FPGA：stratix V
系列，充分½现了摩尔定律。目前推出的高端
fpga
的串行收
发器的带½½½达到几十
G
甚至上百
G。
2.3
lattice（莱迪思）
莱迪思半导½公司于
1983
年在俄勒冈州成立，1985 年在特拉华州重组（据
说
Lattice
公司最早是由华人创办的）
。Lattice 是
ISP
技术的发明者,ISP 技术极
大的促进了
PLD
产品的发展（ISP：In-System
Programming）在系统可编程，指
电路板上的空½器件可以编程写入最终用户代码， 而不需要从电路板上取下器
件，已经编程的器件也可以用
ISP
方式擦除或再编程）。与
ALTERA
和
XILINX
相比，其开发工具略逊一筹。中小规模
PLD
比较有特色，
1999
年推出可编程
模拟器件。99 年收购
Vantis（原 AMD
子公司）,成为第三大可编程逻辑器件供
应商。2001 年
12
月收购
agere
公司（原
Lucent
微电子部）的
FPGA
部门。
莱迪思提供的
FPGA
的
SERDES
方案是业界领先的。
4
2.4
其他厂商
FPGA
领域的其他厂商还有
atmel、Crypress、Quicklogic、ACTEL
等，
这些厂商
½没有实力和上面的三家巨头正面竞争，所以他们的产品很多½是针对特定领
域。比如说
Quicklogic
专注在便携式和½功耗领域了;ACTEL 专注在反熔丝
fpga，应用军
工和航天领域，不过很多产品½禁止出口。
2.5
½内厂商
京 微 雅 格 公 司
2003
年 在 美 ½ 硅 谷 创 办 ，
2005
年 与 清 华 大 学 合 ½ 迁
来 中 ½ 北 京 。 先 后 研 发 出
7
款 具 有 自 主 知 识 产 权 的
FPGA+CPU+RAM+Fl
ash
可 配 ½ 应 用 平 台 （
CAP）
芯 片 。 是 世 界 上 唯 一 在 美 ½ 硅 谷 以 外 开 发
出
FPGA
产 品 的 公 司 。FPGA 一 直 为 美 ½ 所 垄 断 ，美 ½ 也 禁 止 很 多 重 要 领
域 的
FPGA
产 品 出 口 ， 而
FPGA
在 经 济 发 展 和 ½ 防 建 设 领 域 具 有 越 来 越
广泛的应用，基于½家发展和安全方面的战略需要，北京市政府投入 1
400 万 美 元 以 加 强 京 微 雅 格 公 司 的 产 品 研 发 和 产 业 化 ，足 见 政 府 对 FPGA
产业的重视。
5
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