FPGA技术发展解析4156.docx
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1、FPGA技术发展探究 一 绪言 自11985年年Xiliinx公司司推出第一一片现场可可编程逻辑辑器件(FFPGA)至至今,FPPGA已经经历了十几几年的发展展历史。在在这十几年年的发展过过程中,以以FPGAA为代表的的数字系统统现场集成成技术取得得了惊人的的发展:现现场可编程程逻辑器件件从最初的的12000个可利用用门,发展展到90年年代的255万个可利利用门,乃乃至当新世世纪来临之之即,国际际上现场可可编程逻辑辑器件的著著名厂商AAlterra公司、XXilinnx公司又又陆续推出出了数百万万门的单片片FPGAA芯片,将将现场可编编程器件的的集成度提提高到一个个新的水平平。纵观现现场可编程
2、程逻辑器件件的发展历历史,其之之所以具有有巨大的市市场吸引力力,根本在在于:FPPGA不仅仅可以解决决电子系统统小型化、低低功耗、高高可靠性等等问题,而而且其开发发周期短、开开发软件投投入少、芯芯片价格不不断降低,促促使FPGGA越来越越多地取代代了ASIIC的市场场,特别是是对小批量量、多品种种的产品需需求,使FFPGA成成为首选。 目前前,FPGGA的主要要发展动向向 是:随着大大规模现场场可编程逻逻辑器件的的发展,系系统设计进进入片上上可编程系系统(SSOPC)的的新纪元;芯片朝着着高密度、低低压、低功功耗方向挺挺进;国际际各大公司司都在积极极扩充其IIP库,以以优化的资资源更好的的满足
3、用户户的需求,扩扩大市场;特别是引引人注目的的所谓FPPGA动态态可重构技技术的开拓拓,将推动动数字系统统设计观念念的巨大转转变。 二 Xillinx公公司研制开开发的FPPGA系列列产品的主主要特征 Xilinnx公司自自发明FPPGA以来来,就不断断的推出新新器件和开开发工具,力力求芯片的的速度更高高、功耗更更低。在其其新近开发发的产品中中,Xillinx重重新定义了了未来的可可编程逻辑辑,为用户户提供2.5v,33.3v和和5v可编编程逻辑系系列选择,并并利用先进进的0.118-、00.22-、0.225-、00.35uum工艺技技术生产出出低成本、高高性能的可可编程逻辑辑产品。主主要推
4、出了了Virttex系列列和SpaantannTM系列列的FPGGA。Viirtexx系列突破破了传统FFPGA密密度和性能能限制,使使 FPGGA不仅仅仅是逻辑模模块,而成成为一种系系统元件(如如图一所示示)。 而而SpanntanTTM系列为为替代ASSIC的大大容量FPPGA树立立了一个新新的低成本本标准。图1 Viirtexx系列使FFPGA从从连接逻辑辑提升至系系统的核心心部件 Virrtex 系列FPPGA集成成了许多满满足系统级级设计要求求的新性能能,具有独独特的结构构特点如图图2。整个个Virttex系列列由九种器器件组成,系系统门数从从5万到1100万门门(1,7728到22
5、7,6448个逻辑辑单元);提供给用用户的I/O引脚数数最多超过过500个个;采用多多种封装形形式,包括括先进的11.0mmm FineePitcchTMBBGA和00.8mmm芯片封装装;采用55层金属的的0.222微米CMMOS工艺艺,实现55V容差的的I/O接接口;借助助于优选的的时序驱动动的布局和和布线工具具,在4000MHzz的PCPU上上,编译速速度可达220万门/秒。 图2 Viirtexx系列的内内部结构 Viirtexx系统的独独特结构使使它具有以以下一些重重要性能: 拥有四重重数字化延延时锁定电电路(DLLL),用用于内外时时钟同步;使芯片到到芯片间的的通讯速度度达到200
6、0MHzz;所有器器件从时钟钟到输出的的延时均小小于3nss;时钟可可倍频和分分频,可进进行00,9900,11800,22700相相移。 各种密度度产品均设设置向量式式互连,使使布线快速速可预测,与与内核配合合良好。 Virttex支持持3级存储储。它的SSelecctRAMM+存储层层为字节级级(分布式式存储)、千千字节级(块块存储)和和兆字节级级(与外部部DRAMM和SRAAM的SSSTL3接接口)存储储块提供很很高的频宽宽。 采用SeelecttI/OTTM技术,同同时支持多多种电压和和信号标准准。 兼容666MHz/64比特特PCI和和Comppact PCI。 在推推出Virrte
7、x FPGAA之后不到到一年,XXilinnx又推出出了Virrtex-E系列产产品,其性性能和密度度可与ASSIC匹敌敌。Virrtex-E系列产产品的主要要特点是:拥有 3320万个个系统门;832kk位的真双双端口内部部块状RAAM;8个个DLL并并支持超过过20种不不同的信号号标准,包包括LVDDS、Buus LVVDS以及及LVPEECL;采采用0.118um工工艺制造,在在单个器件件上实现了了2.1亿亿个晶体管管的密度。总总之,Viirtexx和Virrtex-E 系列列不仅将FFPGA性性能推向一一个新层面面,还解决决了向系统统集成的挑挑战。 Xiilinxx产品的另另一个发展展
8、方向是实实现可编程程逻辑器件件在大批量量生产中的的应用,所所以对成本本要求更高高。Spaartann系列是以以XC40000系列列结构为基基础,并结结合了片上上RAM 、强大的的IP库支支持和大容容量、低价价格的特点点,使其可可在大批量量生产中替替代ASIIC。 Sppartaan系列的的主要特点点是:系统统门数可达达40,0000门;灵活的片片上存储器器,分布式式和块存储储器;4个个数字延迟迟锁相环,有有效的芯片片级/板级级时钟管理理;Sellect I/O技技术保证同同所有主要要总线标准准如HSTTL、G TL、SSSTL等的的接口;具具有功率管管理(睡眠眠模式)。 三 AAlterra公
9、司研研制开发的的FPGAA系列产品品的主要特特征 Allteraa公司自从从事FPGGA的开发发研制以来来,不断的的进行技术术创新,研研制开发新新产品。该该公司的基基于CMOOS的现场场可编程逻逻辑器件同同样具有高高速、高密密度、低功功耗的特点点。近期,AAlterra公司主主要有四个个品种系列列:胶合(gglue)逻逻辑类的MMAX,低低价位的AACEX系系列、高速速FLEXX系列、高高密度的AAPEX 系列。 Allteraa 公司针针对通信市市场推出的的新型低成成本器件-ACEEX系列(以以前的名称称是ACEE)。该系系列的主要要特点为:密度范围围从1万到到10万门门(56,000到到
10、257,000系系统门);配备锁相相环(PLLL),与与64位、666MHZZ的PCII兼容;产产品系列从从原1.88v扩展至至2.5vv;提供系系统速度超超过1155MHZ 的高性能能。 Allteraa公司还对对FPGAA的结构进进行优化,提提供更多的的嵌入式RRAM。新新近推出的的FLEXX 10KKE系列器器件是以前前的FLEEX 10K系系列器件的的增强型,该该系列在结结构上采用用了与FLLEX 110K系列列相同的逻逻辑块,但但片内嵌入入式RAMM是FLEEX 10K系系列的两倍倍,而且增增加了一个个双端口RRAM,这这对通信应应用来说是是一个重要要的优势所所在。Allteraa公
11、司预计计该系列器器件可用于于66MHHZ的工作作频率,密密度范围为为3万225万门,能能够用于666MHZZ的PCII和通信应应用。 Allteraa 公司的的高密度AAPEX 20KEE系列器件件,其主要要特点是:真正实现现了的低压压差信号(llow-vvoltaage ddiffeerenttial signnalinng, LLVDS)通通道,并提提供8400兆比特的的数据传输输率。在AAPEX 20KEE系列中的的锁相环(PPLL)可可以提供多多种LVDDS。设计计者可以在在1,4,7和8数据传输输模式中实实现LVDDS I/O标准。AAPEX 20KEE LVDSS界面如图图3所示。
12、 图3 AAPEX 20KEE LVDDS界面 另一一方面,随随着现场可可编程逻辑辑器件越来来越高的集集成度,加加上对不断断出现的II/O标准准、嵌入功功能、高级级时钟管理理的支持,使使得设计人人员开始利利用现场可可编程逻辑辑器件来进进行系统级级的片上设设计。Allteraa公司目前前正积极倡倡导SOPPC(Syystemm on aa Proogrmmmablee Chiip,系统统可编程芯芯片)。 片片上可编程程系统(SSOPC)得得到迅速发发展,主要要有以下几几个原因: 1 密度在在100万万门以上的的现场可编编程逻辑芯芯片已经面面市; 2 第4代现现场可编程程逻辑器件件的开发工工具已经
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