淺談可編程邏輯器件

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由于經(jīng)濟下滑損及開發(fā)預算減少，嵌入系統(tǒng)設(shè)計者正在轉(zhuǎn)向FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）技術(shù)，以縮減開發(fā)周期、對抗設(shè)備老化以及簡化產(chǎn)品升級。通過采用數(shù)量龐大且不斷增加的FPGA開發(fā)工具、可重用邏輯單元以及市售商用模塊，設(shè)計者可以構(gòu)思出高性能嵌入系統(tǒng)，并且能夠根據(jù)需求變化作重新配置，從而盡量減少對工程和制造的影響。過去，電路板設(shè)計者使用這些器件作系統(tǒng)元件之間的互連，但最新的高密度產(chǎn)品也可以替代一個典型嵌入項目中的處理器、內(nèi)存、定制邏輯及很多外設(shè)。盡管它有能力改變嵌入架構(gòu)，設(shè)計者仍應(yīng)分析性能、功率和成本局限，以確定FPGA技術(shù)最適用的地方。


　　自20世紀70年代可編程邏輯陣列出現(xiàn)以來，隨著領(lǐng)先者Xilinx和Altera融入到更多的專業(yè)供應(yīng)商（如Actel、Cypress和Lattice）中，F(xiàn)PGA技術(shù)已發(fā)展成為一個興旺的市場。盡管每家供應(yīng)商FPGA的精確結(jié)構(gòu)不同，但基本FPGA架構(gòu)都包含了有電可編程互連的邏輯塊陣列，用戶或設(shè)計者可以在制造以后作配置。早期的器件有數(shù)千個等效門，但今天這一數(shù)量已增長到數(shù)百萬。這種互連靈活性使設(shè)計者能夠建立準確匹配于特定嵌入應(yīng)用需求的硬件功能。除了邏輯塊以外，最新器件還在硅片中嵌入專用處理器，使設(shè)計者能夠作出軟硬件權(quán)衡，滿足性能的需求。


　　在相符合的嵌入應(yīng)用中，F(xiàn)PGA技術(shù)為開發(fā)人員提供了多種針對分立實現(xiàn)或定制邏輯實現(xiàn)的優(yōu)勢。很多有經(jīng)驗的設(shè)計者在說到自己采用FPGA的主要原因時，都會提到較短的開發(fā)日程、更低的非重復成本以及量產(chǎn)后合并改動的能力。在高性能應(yīng)用中，設(shè)計者可以建立多個并行的計算結(jié)構(gòu)，其性能超過專用處理器。FPGA有一個經(jīng)常被提及的缺點，那就是與通用處理器或定制ASIC相比需要更多的功耗。同樣，由于存在多個導通晶體管和連接路徑的電阻，采用FPGA的產(chǎn)品也慢于相比的普通設(shè)計。雖然沒有考慮其他方案的開發(fā)時間，但FPGA技術(shù)的重復成本高于普通電路或定制電路。


　　FPGA采用多種技術(shù)作互連和邏輯塊的編程。例如，反熔絲硅結(jié)構(gòu)（antifuse-silicon）在其兩端施加一個高電壓時，會建立一個低電阻的鏈接。其優(yōu)點包括低串聯(lián)電阻和低寄生電容，但主要缺點是采用反熔絲的FPGA是一次寫入器件，因此無法重新配置。最常見的編程技術(shù)是靜態(tài)RAM單元，通過使能和禁止導通晶體管而對FPGA結(jié)構(gòu)編程。雖然要多個晶體管才能實現(xiàn)一個存儲單元，但SRAM有快速的可重編程能力，并且可以用常規(guī)的硅CMOS技術(shù)來實現(xiàn)。基于SRAM的FPGA還需要一個外部引導器件，在上電時設(shè)定存儲器。另外也可以用EPROM、EEPROM和閃存技術(shù)作FPGA編程，優(yōu)點也是可重復編程能力，而無需外接引導器件。


　　制造商也創(chuàng)造出多種對FPGA電路作描述和編程的方法。最常見的方法是采用一種HDL（硬件描述語言），如Verilog或VHDL（超高速集成電路HDL），描述一個設(shè)計的功能和結(jié)構(gòu)。一旦定義了架構(gòu)，就可以用另外的工具在一款規(guī)定的FPGA上實現(xiàn)這個結(jié)構(gòu)。這個過程包括了電源與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后是硬件分區(qū)、布局以及互連的布線。最后階段是將設(shè)計裝入目標FPGA，在真實的硬件環(huán)境中作測試。


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