FPGA应用技术及其发展

左骐

摘 要：FPGA技术在电子设计领域应用广泛，逐渐成为设计实现电子系统的主要手段。本文主要介绍了FPGA技术的特点、设计流程及其发展趋势。

关键词：现场可编程门阵列；FPGA；设计流程

1 引言

在数字电路设计中，FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）技术得到越来越广泛的应用。用户可以通过改变配置信息对其功能进行重新定义，来满足设计要求。FPGA具有可编程、高集成度、高速等优点。其可编程特性带来了电路设计的灵活性，缩短了产品研发周期。FPGA技术已经成为电子工程师设计实现电子系统的主要手段。

2 FPGA简介

FPGA是PAL（Programmable Array Logic，可编程阵列逻辑）、GAL（Generic Array Logic，通用阵列逻辑）、PLD（Programmable Logic Device，可编程逻辑器件）等可编程器件的基础上发展起来的。FPGA是一种半定制专用集成电路（ASIC），它的出现既解决了全定制ASIC的不足，又克服了原有PLD电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）的結构，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输入输出模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三部分。

FPGA的主要特点有：

（1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

（2）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。

（3）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

（4）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

（5）FPGA具有设计灵活、开发周期短、功耗低等特点。

3 设计流程

FPGA设计是指利用开发软件和编程工具对器件进行开发的过程，它主要包括五个过程：

3.1 设计准备

在进行设计之前，首先要进行方案论证、系统设计和器件选择等设计准备工作。设计者首先要根据任务要求，如系统所完成的功能和复杂程度，对工作速度和器件本身的资源和成本、连线的可布性等方面进行权衡，选择合适的方案和合适的器件类型。

3.2 设计输入

设计者将所设计的系统或电路以开发软件要求的某种形式表示出来并输入到计算机的过程称为设计输入。常用的有三种方式，即原理图、硬件描述语言（HDL）、波形输入。

3.3 设计处理

在设计处理过程中，编译软件将对设计输入的文件进行逻辑化简、综合优化，并且适当地用一片或多片器件自动地进行适配，最后产生编程用的编程文件。设计处理应当包括以下五个过程：语法检查和设计规则检查、逻辑优化和综合、适配和分割、布局布线、生成编程数据文件。

3.4 设计验证

设计验证包括功能仿真和时序仿真，这两项工作是在设计处理过程中同时进行的。功能仿真是在设计输入完成之后，在选择具体的器件进行编译之前进行的逻辑功能验证，因此又称为前仿真，此仿真无延时信息，对于系统初步的功能检测非常方便。仿真前首先要利用波形编辑器或硬件描述语言建立测试向量，仿真结果以报告或波形的形式输出，从中可以看出各个节点的结果，如果有错误，则返回设计输入中修改逻辑设计。时序仿真是在选择了具体器件并完成布局布线之后进行的时序关系仿真，因此也称为后仿真，由于不同的器件内部的延时不一样，不同的布局、布线方案也能引起不同的延时，因此在设计处理以后，对系统和各模块进行时序仿真、分析其时序关系，估计设计的性能以及检查和消除竞争冒险是非常有必要的。

3.5 器件编程

编程是将编程数据写到可编程器件中去。器件编程要满足一定的条件，如编程电压、编程时序和算法等。器件编程完毕之后，可以用编译时产生的文件进行检验、加密等工作。

4 FPGA发展趋势

4.1基于FPGA的嵌入式系统（SOPC System-on-a-Programmable-Chip ）技术正在成熟

System on Chip（SOC）技术在芯片设计领域被越来越广泛地采用，而SOPC技术是SOC技术在可编程器件领域的应用。这种技术的核心是在FPGA芯片内部构建处理器。Altera公司为NIOSII软核处理器提供了完整的软硬件解决方案，可以让客户短时间完成SOPC系统的构建和调试工作。

4.2 FPGA芯片向高性能、高密度、低压和低功耗的方向发展

在高性能计算和高吞吐量I/O应用方面，FPGA已经取代了专用的DSP芯片，成为最佳的实现方案。因此，高性能和高密度也成为衡量FPGA芯片厂家设计能力的重要指标。

随着FPGA性能和密度的提高，功耗也逐渐成为了FPGA应用的瓶颈。虽然FPGA比DSP等处理器的功耗低，但是要明显高于专用芯片（ASIC）的功耗。FPGA的厂家也在采用各种新工艺和技术来降低FPGA的功耗，并且已经取得了明显的效果。

4.3基于IP库的设计方法

未来的FPGA芯片密度不断提高，传统的基于HDL的代码设计方法很难满足超大规模FPGA的设计需要。随着专业的IP库设计公司不断增多，商业化的IP库种类会越来越全面，支持的FPGA器件也会越来广泛。

作为FPGA的设计者，主要的工作是找到适合项目需要的IP库资源，然后将这些IP整合起来，完成顶层模块设计。随着FPGA密度不断提高和IP库的价格逐渐趋于合理化，这种设计方法将会成为主流的FPGA设计技术。

5 结束语

随着半导体制造工艺水平的不断提高，FPGA在集成度提高同时，制造成本将大幅下降。凭借其高性能、开发周期短等优势，FPGA技术将在电子系统设计领域扮演越来越重要的角色。

参考文献：

[1]刘丽华，辛德禄，李本俊.专用集成电路设计方法，北京：北京邮电大学出版社，2000.

[2]褚振勇，翁木云.FPGA设计及应用，西安：西安电子科技大学出版社，2002.

（作者单位：西安电子工程研究所）