FPGA技術(shù)的發(fā)展歷史和動(dòng)向

1.1 FPGA技術(shù)的發(fā)展歷史和動(dòng)向

1.1.1 FPGA技術(shù)的發(fā)展歷史

縱觀(guān)數字集成電路的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了從電子管、晶體管、小規模集成電路到大規模以及超大規模集成電路等不同的階段。發(fā)展到現在，主要有3類(lèi)電子器件：存儲器、處理器和邏輯器件。

存儲器保存隨機信息(電子數據表或數據庫的內容);處理器執行軟件指令，以便完成各種任務(wù)(運行數據處理程序或視頻游戲);而邏輯器件可以提供特殊功能(器件之間的通信和系統必須執行的其他所有功能)。

邏輯器件分成兩類(lèi)：

固定的或定制的。

可編程的或可變的。

其中，固定的或定制的邏輯器件通常稱(chēng)為專(zhuān)用芯片(ASIC)。ASIC是為了滿(mǎn)足特定的用途而設計的芯片，例如MP3解碼芯片等。其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)固化的邏輯功能和大規模的工業(yè)化生產(chǎn)，降低了芯片的成本，同時(shí)提高了產(chǎn)品的可靠性。隨著(zhù)集成度的提高，ASIC的物理尺寸也在不斷的縮小。

但是，ASIC設計的周期很長(cháng)，而且投資大，風(fēng)險高。一旦設計結束后，功能就固化了，以后的升級改版困難比較大。電子產(chǎn)品的市場(chǎng)正在逐漸細分，為了滿(mǎn)足快速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，產(chǎn)生了現場(chǎng)可編程邏輯器件(FPGA)。

自1984年Xilinx公司推出了第一片現場(chǎng)可編程邏輯器件(FPGA)至今，FPGA已經(jīng)歷了20幾年的快速發(fā)展歷程。特別是近幾年來(lái)，更是發(fā)展迅速。FPGA的邏輯規模已經(jīng)從最初的1000個(gè)可用門(mén)發(fā)展到現在的1000萬(wàn)個(gè)可用門(mén)。

FPGA技術(shù)之所以具有巨大的市場(chǎng)吸引力，其根本原因在于：FPGA不僅可以解決電子系統小型化、低功耗、高可靠性等問(wèn)題，而且其開(kāi)發(fā)周期短、投入少，芯片價(jià)格不斷下降。FPGA正在越來(lái)越多地取代傳統上ASIC，特別是在小批量、個(gè)性化的產(chǎn)品市場(chǎng)方面。

1.1.2 FPGA技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向

隨著(zhù)芯片設計工藝水平的不斷提高，FPGA技術(shù)呈現出了以下4個(gè)主要的發(fā)展動(dòng)向。

1.基于FPGA的嵌入式系統(SoPC)技術(shù)正在成熟

System on Chip(SoC)技術(shù)在芯片設計領(lǐng)域被越來(lái)越廣泛地采用，而SoPC技術(shù)是SoC技術(shù)在可編程器件領(lǐng)域的應用。這種技術(shù)的核心是在FPGA芯片內部構建處理器。Xilinx公司主要提供基于Power PC的硬核解決方案，而Altera提供的是基于NIOSII的軟核解決方案。

Altera公司為NIOSII軟核處理器提供了完整的軟硬件解決方案，可以讓客戶(hù)短時(shí)間完成SoPC系統的構建和調試工作。

如圖1.1所示，是Altera Stratix III FPGA基于NIOS II解決方案的內部結構圖。

圖1.1 NIOS II解決方案

2.FPGA芯片向高性能、高密度、低壓和低功耗的方向發(fā)展

隨著(zhù)芯片生產(chǎn)工藝不斷提高，FPGA芯片的性能和密度都在不斷提高。早期的FPGA主要是完成接口邏輯設計，比如AD/DA和DSP的粘合邏輯?，F在的FPGA正在成為電路的核心部件，完成關(guān)鍵功能。

在高性能計算和高吞吐量I/O應用方面，FPGA已經(jīng)取代了專(zhuān)用的DSP芯片，成為最佳的實(shí)現方案。因此，高性能和高密度也成為衡量FPGA芯片廠(chǎng)家設計能力的重要指標。

隨著(zhù)FPGA性能和密度的提高，功耗也逐漸成為了FPGA應用的瓶頸。雖然FPGA比DSP等處理器的功耗低，但是要明顯高于專(zhuān)用芯片(ASIC)的功耗。FPGA的廠(chǎng)家也在采用各種新工藝和技術(shù)來(lái)降低FPGA的功耗，并且已經(jīng)取得了明顯的效果。

例如，Altera公司的StratixIII系列FPGA的功耗比上一代產(chǎn)品StratixII系列降低了50%以上。

3.基于IP庫的設計方法

未來(lái)的FPGA芯片密度不斷提高，傳統的基于HDL的代碼設計方法很難滿(mǎn)足超大規模FPGA的設計需要。隨著(zhù)專(zhuān)業(yè)的IP庫設計公司不斷增多，商業(yè)化的IP庫種類(lèi)會(huì )越來(lái)越全面，支持的FPGA器件也會(huì )越來(lái)廣泛。

作為FPGA的設計者，主要的工作是找到適合項目需要的IP庫資源，然后將這些IP整合起來(lái)，完成頂層模塊設計。由于商業(yè)的IP庫都是通過(guò)驗證的，因此整個(gè)項目的仿真和驗證工作主要就是驗證IP庫的接口邏輯設計的正確性。

目前，由于國內的知識產(chǎn)權保護的相關(guān)法律法規還不盡完善，基于IP庫的設計方法還沒(méi)有得到廣泛應用。但是隨著(zhù)FPGA密度不斷提高和IP庫的價(jià)格逐漸趨于合理化，這種設計方法將會(huì )成為主流的FPGA設計技術(shù)。

4.FPGA的動(dòng)態(tài)可重構技術(shù)

FPGA動(dòng)態(tài)重構技術(shù)主要是指對于特定結構的FPGA芯片，在一定的控制邏輯的驅動(dòng)下，對芯片的全部或部分邏輯資源實(shí)現高速的功能變換，從而實(shí)現硬件的時(shí)分復用，節省邏輯資源。

由于密度不斷提高，FPGA能實(shí)現的功能也越來(lái)越復雜。FPGA全部邏輯配置一次的需要的時(shí)間也變長(cháng)了，降低了系統的實(shí)時(shí)性。局部邏輯的配置功能可以實(shí)現“按需動(dòng)態(tài)重構”，大大提高了配置的效率。

動(dòng)態(tài)可重構的FPGA可以在系統運行中對電路功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，實(shí)現硬件的時(shí)分復用，節省了資源，主要適用于以下兩個(gè)系統設計：

最新通信系統。

FPGA的動(dòng)態(tài)重構特性可以適應不同體制和不同標準的通信要求，滿(mǎn)足軟件無(wú)線(xiàn)電技術(shù)的發(fā)展和第三代(3G)和第四代(4G)移動(dòng)通信系統的需要。

重構計算機：FPGA具有并行處理能力和動(dòng)態(tài)配置能力，可自動(dòng)改變硬件來(lái)適應正在運行的程序，產(chǎn)生了基于這種軟硬件環(huán)境的全新概念的計算機。