什么是FPGAFPGA是什么意思

FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA工作原理FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输出输入模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。 现场可编程门阵列(FPGA)是可编程器件。与传统逻辑电路和门阵列(如PAL，GAL及CPLD器件)相比，FPGA具有不同的结构，FPGA利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程基本特点1)采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。3)FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。4)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。5) FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式;主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA;串行模式可以采用串行PROM编程FPGA;外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。如何实现快速的时序收敛、降低功耗和成本、优化时钟管理并降低FPGA与PCB并行设计的复杂性等问题，一直是采用FPGA的系统设计工程师需要考虑的关键问题。如今，随着FPGA向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向发展，系统设计工程师在从这些优异性能获益的同时，不得不面对由于FPGA前所未有的性能和能力水平而带来的新的设计挑战。例如，领先FPGA厂商Xilinx最近推出的Virtex-5系列采用65nm工艺，可提供高达33万个逻辑单元、1,200个I/O和大量硬IP块。超大容量和密度使复杂的布线变得更加不可预测，由此带来更严重的时序收敛问题。此外，针对不同应用而集成的更多数量的逻辑功能、DSP、嵌入式处理和接口模块，也让时钟管理和电压分配问题变得更加困难。幸运地是，FPGA厂商、EDA工具供应商正在通力合作解决65nm FPGA独特的设计挑战。不久以前，Synplicity与Xilinx宣布成立超大容量时序收敛联合工作小组，旨在最大程度地帮助系统设计工程师以更快、更高效的方式应用65nm FPGA器件。设计软件供应商Magma推出的综合工具Blast FPGA能帮助建立优化的布局，加快时序的收敛。最近FPGA的配置方式已经多元化!

可编程逻辑器件主要包括FPGA和CPLD FPGA是Field Programmable Gate Array缩写 CPLD是Complex Promrammable Logic Device的缩写

从可编程逻辑器件的发展历史上来讲 CPLD一般是指采用乘积相结构的基于EEPROM的器件 所以具有非挥发的 不需要外部配置ROM 具有保密性和有限次编程次数(根据不同的结构 从 次到 万次不等)等特点 适合用在胶合逻辑(glue logic 如DSP芯片外围的译码逻辑) IO扩展 IO电平转换 FPGA芯片配置等应用场合 如Altera的MAX 和MAX 系列芯片 Xilinx的XC 和CoolRunner/II系列芯片 Lattice的ispMACH /Z系列芯片都是CPLD器件 容量从 宏单元到 宏单元不等

FPGA主要是指采用四输入查找表(LUT )的基于SRAM的器件 因为SRAM是挥发的 掉电丢失数据 所以FPGA需要外部配置ROM 上电的时候 从外部的ROM把FPGA的配置数据导入到FPGA芯片内部后工作 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还代 给用户带来了实惠 衡量FPGA容量的一个基本指标是逻辑单元(Logic cell或者Logic element) 由一个可编程得LUT 和一个可编程的DFF组成 LUT 完成组合逻辑功能

而DFF用来实现时序功能 FPGA的容量从几千的逻辑单元到几十万的逻辑单元不等 如Altera的Cyclone/II/III和Stratix/II/III系列芯片 Xilinx Spartan / E/ A/ AN和Virtex / 系列芯片都是FPGA器件

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 K左右逻辑单元)非挥发的可编程器件归到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 以及跟传统的CPLD不一样了

总之 我们可以简单的区分FPGA和CPLD CPLD 小容量(< K左右LE)的非挥发的可编程器件 其它的可编程器件都可归到FPGA

系统的比较

尽管FPGA和CPLD都是可编程ASIC器件 有很多共同特点 但由于CPLD和FPGA结构上的差异 具有各自的特点:

①CPLD更适合完成各种算法和组合逻辑 FP GA更适合于完成时序逻辑 换句话说 FPGA更适合于触发器丰富的结构 而CPLD更适合于触发器有限而乘积项丰富的结构

②CPLD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

③在编程上FPGA比CPLD具有更大的灵活性 CPLD通过修改具有固定内连电路的逻辑功能来编程 FPGA主要通过改变内部连线的布线来编程 FP GA可在逻辑门下编程 而CPLD是在逻辑块下编程

④FPGA的集成度比CPLD高 具有更复杂的布线结构和逻辑实现

⑤CPLD比FPGA使用起来更方便 CPLD的编程采用E PROM或FASTFLASH技术 无需外部存储器芯片 使用简单 而FPGA的编程信息需存放在外部存储器上 使用方法复杂

⑥CPLD的速度比FPGA快 并且具有较大的时间可预测性 这是由于FPGA是门级编程 并且CLB之间采用分布式互联 而CPLD是逻辑块级编程 并且其逻辑块之间的互联是集总式的

⑦在编程方式上 CPLD主要是基于E PROM或FLASH存储器编程 编程次数可达 万次 优点是系统断电时编程信息也不丢失 CPLD又可分为在编程器上编程和在系统编程两类 FPGA大部分是基于SRAM编程 编程信息在系统断电时丢失 每次上电时 需从器件外部将编程数据重新写入SRAM中 其优点是可以编程任意次 可在工作中快速编程 从而实现板级和系统级的动态配置

⑧CPLD保密性好 FPGA保密性差

⑨一般情况下 CPLD的功耗要比FPGA大 且集成度越高越明显

随着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容易使用 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 他们只好转向FPGA和ASIC 现在 设计人员可以体会到密度高达数十万门的CPLD所带来的好处

CPLD结构在一个逻辑路径上采用 至 个乘积项 因而大型复杂设计的运行速度可以预测 因此 原有设计的运行可以预测 也很可靠 而且修改设计也很容易 CPLD在本质上很灵活 时序简单 路由性能极好 用户可以改变他们的设计同时保持引脚输出不变 与FPGA相比 CPLD的I/O更多 尺寸更小

如今 通信系统使用很多标准 必须根据客户的需要配置设备以支持不同的标准 CPLD可让设备做出相应的调整以支持多种协议 并随着标准和协议的演变而改变功能 这为系统设计人员带来很大的方便 因为在标准尚未完全成熟之前他们就可以着手进行硬件设计 然后再修改代码以满足最终标准的要求 CPLD的速度和延迟特性比纯软件方案更好 它的NRE费用低于ASIC 更灵活 产品也可以更快入市 CPLD可编程方案的优点如下

●逻辑和存储器资源丰富(Cypress Delta K 的RAM超过 Kb)

●带冗余路由资源的灵活时序模型|

●改变引脚输出很灵活

●可以装在系统上后重新编程

●I/O数目多

●具有可保证性能的集成存储器控制逻辑

●提供单片CPLD和可编程PHY方案

由于有这些优点 设计建模成本低 可在设计过程的任一阶段添加设计或改变引脚输出 可以很快上市

CPLD的结构

CPLD是属于粗粒结构的可编程逻辑器件 它具有丰富的逻辑资源(即逻辑门与寄存器的比例高)和高度灵活的路由资源 CPLD的路由是连接在一起的 而FPGA的路由是分割开的 FPGA可能更灵活 但包括很多跳线 因此速度较CPLD慢

CPLD以群阵列（array of clusters）的形式排列 由水平和垂直路由通道连接起来 这些路由通道把信号送到器件的引脚上或者传进来 并且把CPLD内部的逻辑群连接起来

CPLD之所以称作粗粒 是因为 与路由数量相比 逻辑群要大得到 CPLD的逻辑群比FPGA的基本单元大得多 因此FPGA是细粒的

CPLD的功能块

CPLD最基本的单元是宏单元 一个宏单元包含一个寄存器(使用多达 个乘积项作为其输入)及其它有用特性

因为每个宏单元用了 个乘积项 因此设计人员可部署大量的组合逻辑而不用增加额外的路径 这就是为何CPLD被认为是 逻辑丰富 型的宏单元以逻辑模块的形式排列(LB) 每个逻辑模块由 个宏单元组成 宏单元执行一个AND *** 作 然后一个OR *** 作以实现组合逻辑

每个逻辑群有 个逻辑模块 所有逻辑群都连接到同一个可编程互联矩阵

每个群还包含两个单端口逻辑群存储器模块和一个多端口通道存储器模块 前者每模块有 b存储器 后者包含 b专用通信存储器且可配置为单端口 多端口或带专用控制逻辑的FIFO

CPLD有什么好处？

I/O数量多

CPLD的好处之一是在给定的器件密度上可提供更多的I/O数 有时甚至高达 %

时序模型简单

CPLD优于其它可编程结构之处在于它具有简单且可预测的时序模型 这种简单的时序模型主要应归功于CPLD的粗粒度特性

CPLD可在给定的时间内提供较宽的相等状态 而与路由无关 这一能力是设计成功的关键 不但可加速初始设计工作 而且可加快设计调试过程

粗粒CPLD结构的优点

CPLD是粗粒结构 这意味着进出器件的路径经过较少的开关 相应地延迟也小 因此 与等效的FPGA相比 CPLD可工作在更高的频率 具有更好的性能

CPLD的另一个好处是其软件编译快 因为其易于路由的结构使得布放设计任务更加容易执行

细粒FPGA结构的优点

FPGA是细粒结构 这意味着每个单元间存在细粒延迟 如果将少量的逻辑紧密排列在一起 FPGA的速度相当快 然而 随着设计密度的增加 信号不得不通过许多开关 路由延迟也快速增加 从而削弱了整体性能 CPLD的粗粒结构却能很好地适应这一设计布局的改变

灵活的输出引脚

CPLD的粗粒结构和时序特性可预测 因此设计人员在设计流程的后期仍可以改变输出引脚 而时序仍保持不变

为什么CPLD和FPGA需要不同的逻辑设计技巧？

FPGA是细粒器件 其基本单元和路由结构都比CPLD的小 FPGA是 寄存器丰富 型的(即其寄存器与逻辑门的比例高) 而CPLD正好相反 它是 逻辑丰富 型的

很多设计人员偏爱CPLD是因为它简单易用和高速的优点 CPLD更适合逻辑密集型应用 如状态机和地址解码器逻辑等 而FPGA则更适用于CPU和DSP等寄存器密集型设计

新的CPLD封装

CPLD有多种密度和封装类型 包括单芯片自引导方案 自引导方案在单个封装内集成了FLASH存储器和CPLD 无须外部引导单元 从而可降低设计复杂性并节省板空间 在给定的封装尺寸内 有更高的器件密度共享引脚输出 这就为设计人员提供了 放大 设计的便利 而无须更改板上的引脚输出

CPLD的功耗

与同样密度的FPGA相比 CPLD的待机功耗更低

CPLD FPGA （待机电流（在Vcc 为 V时））

K μA mA

K μA mA

K mA mA

CPLD特别适合那些要求低功耗和低温度的电池供电应用 像手持设备

许多设计人员都熟悉传统的PLD 并喜欢这种结构所固有的灵活性和易用性 CPLD为ASIC和FPGA设计人员提供了一种很好的替代方案 可让他们以更简单 方便易用的结构实现其设计 CPLD现已达到数十万门的密度 并可提供当今通信设计所需的高性能 大于 万门的设计仍需ASIC和FPGA 但对于小型设计 CPLD不失为一个高性价比的替代方案

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念 内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block） 输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分 FPGA的基本特点主要有

）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 ）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片

）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚

）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

）FPGA采用高速CHMOS工艺 功耗低 可以与CMOS TTL电平兼容

可以说 FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度 可靠性的最佳选择之一

目前FPGA的品种很多 有XILINX的XC系列 TI公司的TPC系列 ALTERA公司的FIEX系列等 FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的 因此 工作时需要对片内的RAM进行编程 用户可以根据不同的配置模式 采用不同的编程方式

加电时 FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中 配置完成后 FPGA进入工作状态 掉电后 FPGA恢复成白片 内部逻辑关系消失 因此 FPGA能够反复使用 FPGA的编程无须专用的FPGA编程器 只须用通用的EPROM PROM编程器即可 当需要修改FPGA功能时 只需换一片EPROM即可 这样 同一片FPGA 不同的编程数据 可以产生不同的电路功能 因此 FPGA的使用非常灵活

lishixinzhi/Article/program/qrs/201311/11075

FPGA是英文Field－Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有：

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可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。

4）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。

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

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。

CPLD

逻辑单元

ALM (高性能自适应逻辑模块)

工艺节点

MAX V

2,210

-

018um

MAX II

2,210

-

018um

MAX 3000A

640

-

030um

FPGA是英文Field－Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA工作原理

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有：

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可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。

4）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。

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

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。

FPGA配置模式

FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。

如何实现快速的时序收敛、降低功耗和成本、优化时钟管理并降低FPGA与PCB并行设计的复杂性等问题，一直是采用FPGA的系统设计工程师需要考虑的关键问题。如今，随着FPGA向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向发展，系统设计工程师在从这些优异性能获益的同时，不得不面对由于FPGA前所未有的性能和能力水平而带来的新的设计挑战。

例如，领先FPGA厂商Xilinx最近推出的Virtex-5系列采用65nm工艺，可提供高达33万个逻辑单元、1,200个I/O和大量硬IP块。超大容量和密度使复杂的布线变得更加不可预测，由此带来更严重的时序收敛问题。此外，针对不同应用而集成的更多数量的逻辑功能、DSP、嵌入式处理和接口模块，也让时钟管理和电压分配问题变得更加困难。

幸运地是，FPGA厂商、EDA工具供应商正在通力合作解决65nm FPGA独特的设计挑战。不久以前，Synplicity与Xilinx宣布成立超大容量时序收敛联合工作小组，旨在最大程度帮助地系统设计工程师以更快、更高效的方式应用65nm FPGA器件。设计软件供应商Magma推出的综合工具Blast FPGA能帮助建立优化的布局，加快时序的收敛。

最近FPGA的配置方式已经多元化！

FPGA主要生产厂商介绍1、Altera2、Xilinx3、Actel4、Lattice其中Altera和Xilinx主要生产一般用途FPGA，其主要产品采用RAM工艺。Actel主要提供非易失性FPGA，产品主要基于反熔丝工艺和FLASH工艺。

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

2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

3）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。

4）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。

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

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。

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