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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了设计的外围 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。关键词：现场可编程门阵列(FPGA)
2、；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溶 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七2、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(Programmable Logic Device, PLD)
3、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、白下而上的传统数字系统设计方法。使用可编程逻辑 器件成，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ASTC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FPGAFPGA具有了门阵列器件的高集成度和通用性，还具有着用户可编程的灵活性，在规模和密度 上的发展并不受到整体架构的限制，同
4、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)是一种通用器件包含大量重发的可编程逻辑块(CLB)、 输入输出单元(I0B)、可编程互连线(PI)等基木单元”。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 TOB (Input Output Block)和内部连线(Interconnect) H个部分。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
5、杂七亦导致时序延迟，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。木文主要介绍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，品体管的特征尺寸从130 nm 90 nm、65 nm、45 nm发展到更新的32 am 及22nm等，FPGA器件的密度和速度不断攀升，片上集成功能更加发
6、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-50基于65nm：-极栅氧化层技术、11层铜布线工艺、低K材料、新型竦硅自对准技术、新型 ExpressFabric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
7、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-5 Lx性能和利用率都很高，同时功耗大幅度降低o Virtex-5 Lx FPGA比上一代90n【n 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。Virtex5 Lx系列还通过性能优化的IP块拥有了550MIIz时钟频率。高 性能Selectlo特性提供了到667Mbps DDR2 SDRAM和1200Mbps QDR TT SRAM等外部存储器的最快连接。 ALtera公司于2006年11月份
8、推出Stratix III的65nmFPGA系列。Stratix III比前代器件快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，符1万门的单价 在2004年底降至1美元，到2005年降至0. 5美元。Altera公司于2005年第二季度开始批量生产的低端FPGA CycloneII,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。(4)向可编程系统芯片(SOPC)方向发展可编
9、程系统级芯片(SOPC)具有ASIC的高集成度、低功耗、小尺寸、低成木的优点，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CycloneII 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一个完整的可编程系统芯片，风险和成本比中小规模的ASTC 小。实现PSOC主要有两种途径，一种是在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。世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
10、自动控制领域的电器件，主要用于在多段时间周期内控制乏个电路的开 启或关闭，即具有多周期设置和关触点输出。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，可数字显示运行时间，如年、月、|_|、分、秒，0.1秒，0.01秒等，时间控制 精度较届O3单、多路曰输出。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
11、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设计者不断提出各种挑战。目前最高水平的 FPGA己采用65nm、11层铜布线，规模己达到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550MHzo为满足用户和市场LI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
12、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20082 吴继华.Ahera FPGA / CPLD设计M.北京:人民邮电出版社.2005:3739.3 刘杰，牛燕雄，董伟.基于FPGA的视频信号发生器设计与应用研究J.仪器仪表学报， 2008, 29 (3):654-657.4 TOIJTOUNCHT S, LAT A. FPGA test and overageC. Proceedings IEEE International Test Conference 2002, Baltimore, MD. USA, 2002
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