FPGA技术发展解析

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1、FPGA技术发展探究一．绪言自1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑器件（FPGA）至今，FPGA已经历了十几年的发展历史。在这十几年的发展过程中，以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展：现场可编程逻辑器件从最初的1200个可利用门，发展到90年代的25万个可利用门，乃至当新世纪来临之即，国际上现场可编程逻辑器件的著名厂商Altera公司、Xilinx公司又陆续推出了数百万门的单片FPGA芯片，将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。纵观现场可编程逻辑器件的发展历史，其之所以具有巨大的市场吸引力，根本在于：FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功

2、耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，促使FPGA越来越多地取代了ASIC的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使FPGA成为首选。目前，FPGA的主要发展动向是：随着大规模现场可编程逻辑器件的发展，系统设计进入"片上可编程系统"（SOPC）的新纪元；芯片朝着高密度、低压、低功耗方向挺进；国际各大公司都在积极扩充其IP库，以优化的资源更好的满足用户的需求，扩大市场；特别是引人注目的所谓FPGA动态可重构技术的开拓，将推动数字系统设计观念的巨大转变。二．Xilinx公司研制开发的FPGA系列产品的主要特征Xilinx公司自发明FPGA以来，就

3、不断的推出新器件和开发工具，力求芯片的速度更高、功耗更低。在其新近开发的产品中，Xilinx重新定义了未来的可编程逻辑，为用户提供2.5v，3.3v和5v可编程逻辑系列选择，并利用先进的0.18-、0.22-、0.25-、0.35um工艺技术生产出低成本、高性能的可编程逻辑产品。主要推出了Virtex系列和SpantanTM系列的FPGA。Virtex系列突破了传统FPGA密度和性能限制，使FPGA不仅仅是逻辑模块，而成为一种系统元件（如图一所示）。而SpantanTM系列为替代ASIC的大容量FPGA树立了一个新的低成本标准。图1Virtex系列使FPGA从连接逻辑提升至系统

4、的核心部件     Virtex系列FPGA集成了许多满足系统级设计要求的新性能，具有独特的结构特点如图2。整个Virtex系列由九种器件组成，系统门数从5万到100万门（1,728到27,648个逻辑单元）；提供给用户的I/O引脚数最多超过500个；采用多种封装形式，包括先进的1.0mmFinePitchTMBGA和0.8mm芯片封装；采用5层金属的0.22微米CMOS工艺，实现5V容差的I/O接口；借助于优选的时序驱动的布局和布线工具，在400MHz的PⅡCPU上，编译速度可达20万门/秒。 图2Virtex系列的内部结构      Virtex系统的独特结构使它具有以下一

5、些重要性能：       ●拥有四重数字化延时锁定电路（DLL），用于内外时钟同步；使芯片到芯片间的通讯速度达到200MHz；所有器件从时钟到输出的延时均小于3ns；时钟可倍频和分频，可进行00，900，1800，2700相移。       ●各种密度产品均设置向量式互连，使布线快速可预测，与内核配合良好。       ●Virtex支持3级存储。它的SelectRAM+存储层为字节级（分布式存储）、千字节级（块存储）和兆字节级（与外部DRAM和SRAM的SSTL3接口）存储块提供很高的频宽。       ●采用SelectI/OTM技术，同时支持多种电压和信号标准。     

6、  ●兼容66MHz/64比特PCI和CompactPCI。在推出VirtexFPGA之后不到一年，Xilinx又推出了Virtex-E系列产品，其性能和密度可与ASIC匹敌。Virtex-E系列产品的主要特点是：拥有320万个系统门；832k位的真双端口内部块状RAM；8个DLL并支持超过20种不同的信号标准，包括LVDS、BusLVDS以及LVPECL；采用0.18um工艺制造，在单个器件上实现了2.1亿个晶体管的密度。总之，Virtex和Virtex-E系列不仅将FPGA性能推向一个新层面，还解决了向系统集成的挑战。Xilinx产品的另一个发展方向是实现可编程逻辑器件在大

7、批量生产中的应用，所以对成本要求更高。Spartan系列是以XC4000系列结构为基础，并结合了片上RAM、强大的IP库支持和大容量、低价格的特点，使其可在大批量生产中替代ASIC。Spartan系列的主要特点是：系统门数可达40,000门；灵活的片上存储器，分布式和块存储器；4个数字延迟锁相环，有效的芯片级/板级时钟管理；SelectI/O技术保证同所有主要总线标准如HSTL、GTL、SSTL等的接口；具有功率管理（睡眠模式）。     三．Altera公司研制开发的FPGA系列产品的主要