??FPGA技術(shù)的發(fā)展歷史
縱觀數(shù)字集成電路的發(fā)展歷史,經(jīng)歷了從電子管、晶體管、小規(guī)模集成電路到大規(guī)模以及超大規(guī)模集成電路等不同的階段。發(fā)展到現(xiàn)在,主要有3類電子器件:存儲器、處理器和邏輯器件。
存儲器保存隨機(jī)信息(電子數(shù)據(jù)表或數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容);處理器執(zhí)行軟件指令,以便完成各種任務(wù)(運(yùn)行數(shù)據(jù)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(tǒng)必須執(zhí)行的其他所有功能)。
邏輯器件分成兩類:
① 固定的或定制的。
② 可編程的或可變的。
其中,固定的或定制的邏輯器件通常稱為專用芯片(ASIC)。ASIC是為了滿足特定的用途而設(shè)計(jì)的芯片,例如MP3解碼芯片等。其優(yōu)點(diǎn)是通過固化的邏輯功能和大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn),降低了芯片的成本,同時提高了產(chǎn)品的可靠性。隨著集成度的提高,ASIC的物理尺寸也在不斷的縮小。
但是,ASIC設(shè)計(jì)的周期很長,而且投資大,風(fēng)險高。一旦設(shè)計(jì)結(jié)束后,功能就固化了,以后的升級改版困難比較大。電子產(chǎn)品的市場正在逐漸細(xì)分,為了滿足快速產(chǎn)品開發(fā),產(chǎn)生了現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)。
自1984年Xilinx公司推出了第一片現(xiàn)場可編程邏輯器件(FPGA)至今,F(xiàn)PGA已經(jīng)歷了20幾年的快速發(fā)展歷程。特別是近幾年來,更是發(fā)展迅速。FPGA的邏輯規(guī)模已經(jīng)從最初的1000個可用門發(fā)展到現(xiàn)在的1000萬個可用門。
FPGA技術(shù)之所以具有巨大的市場吸引力,其根本原因在于:FPGA不僅可以解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性等問題,而且其開發(fā)周期短、投入少,芯片價格不斷下降。FPGA正在越來越多地取代傳統(tǒng)上ASIC,特別是在小批量、個性化的產(chǎn)品市場方面。
FPGA技術(shù)的發(fā)展動向
隨著芯片設(shè)計(jì)工藝水平的不斷提高,F(xiàn)PGA技術(shù)呈現(xiàn)出了以下4個主要的發(fā)展動向。
1.基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)(SoPC)技術(shù)正在成熟
System on Chip(SoC)技術(shù)在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域被越來越廣泛地采用,而SoPC技術(shù)是SoC技術(shù)在可編程器件領(lǐng)域的應(yīng)用。這種技術(shù)的核心是在FPGA芯片內(nèi)部構(gòu)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,可以讓客戶短時間完成SoPC系統(tǒng)的構(gòu)建和調(diào)試工作。
2.FPGA芯片向高性能、高密度、低壓和低功耗的方向發(fā)展
隨著芯片生產(chǎn)工藝不斷提高,F(xiàn)PGA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(shè)計(jì),比如AD/DA和DSP的粘合邏輯。現(xiàn)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(jì)算和高吞吐量I/O應(yīng)用方面,F(xiàn)PGA已經(jīng)取代了專用的DSP芯片,成為最佳的實(shí)現(xiàn)方案。因此,高性能和高密度也成為衡量FPGA芯片廠家設(shè)計(jì)能力的重要指標(biāo)。
隨著FPGA性能和密度的提高,功耗也逐漸成為了FPGA應(yīng)用的瓶頸。雖然FPGA比DSP等處理器的功耗低,但是要明顯高于專用芯片(ASIC)的功耗。FPGA的廠家也在采用各種新工藝和技術(shù)來降低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(shè)計(jì)方法
未來的FPGA芯片密度不斷提高,傳統(tǒng)的基于HDL的代碼設(shè)計(jì)方法很難滿足超大規(guī)模FPGA的設(shè)計(jì)需要。隨著專業(yè)的IP庫設(shè)計(jì)公司不斷增多,商業(yè)化的IP庫種類會越來越全面,支持的FPGA器件也會越來廣泛。
作為FPGA的設(shè)計(jì)者,主要的工作是找到適合項(xiàng)目需要的IP庫資源,然后將這些IP整合起來,完成頂層模塊設(shè)計(jì)。由于商業(yè)的IP庫都是通過驗(yàn)證的,因此整個項(xiàng)目的仿真和驗(yàn)證工作主要就是驗(yàn)證IP庫的接口邏輯設(shè)計(jì)的正確性。
目前,由于國內(nèi)的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的相關(guān)法律法規(guī)還不盡完善,基于IP庫的設(shè)計(jì)方法還沒有得到廣泛應(yīng)用。但是隨著FPGA密度不斷提高和IP庫的價格逐漸趨于合理化,這種設(shè)計(jì)方法將會成為主流的FPGA設(shè)計(jì)技術(shù)。
4.FPGA的動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)
FPGA動態(tài)重構(gòu)技術(shù)主要是指對于特定結(jié)構(gòu)的FPGA芯片,在一定的控制邏輯的驅(qū)動下,對芯片的全部或部分邏輯資源實(shí)現(xiàn)高速的功能變換,從而實(shí)現(xiàn)硬件的時分復(fù)用,節(jié)省邏輯資源。
由于密度不斷提高,F(xiàn)PGA能實(shí)現(xiàn)的功能也越來越復(fù)雜。FPGA全部邏輯配置一次的需要的時間也變長了,降低了系統(tǒng)的實(shí)時性。局部邏輯的配置功能可以實(shí)現(xiàn)“按需動態(tài)重構(gòu)”,大大提高了配置的效率。
動態(tài)可重構(gòu)的FPGA可以在系統(tǒng)運(yùn)行中對電路功能進(jìn)行動態(tài)配置,實(shí)現(xiàn)硬件的時分復(fù)用,節(jié)省了資源,主要適用于以下兩個系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
① 最新通信系統(tǒng)。
FPGA的動態(tài)重構(gòu)特性可以適應(yīng)不同體制和不同標(biāo)準(zhǔn)的通信要求,滿足軟件無線電技術(shù)的發(fā)展和第三代(3G)和第四代(4G)移動通信系統(tǒng)的需要。
② 重構(gòu)計(jì)算機(jī):FPGA具有并行處理能力和動態(tài)配置能力,可自動改變硬件來適應(yīng)正在運(yùn)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(jì)算機(jī)。
FPGA的工作原理和基本特點(diǎn)
1)采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路(專用集成電路),用戶不需要投片生產(chǎn),就能得到合用的芯片。
2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。
3)FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。
4)FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險最小的器件之一。
5) FPGA采用高速CMOS工藝,功耗低,可以與CMOS、TTL電平兼容。
可以說,F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。
FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的,因此,工作時需要對片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式,采用不同的編程方式。加電時,F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中,配置完成后,F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后,F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片,內(nèi)部邏輯關(guān)系消失,因此,F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器,只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時,只需換一片EPROM即可。這樣,同一片F(xiàn)PGA,不同的編程數(shù)據(jù),可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此,F(xiàn)PGA的使用非常靈活。
FPGA的應(yīng)用
1.電路設(shè)計(jì)中FPGA的應(yīng)用
連接邏輯,控制邏輯是FPGA早期發(fā)揮作用比較大的領(lǐng)域也是FPGA應(yīng)用的基石。事實(shí)上在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用FPGA的難度還是比較大的這要求開發(fā)者要具備相應(yīng)的硬件知識(電路知識)和軟件應(yīng)用能力(開發(fā)工具)這方面的人才總是緊缺的,往往都從事新技術(shù),新產(chǎn)品的開發(fā)成功的產(chǎn)品將變成市場主流基礎(chǔ)產(chǎn)品供產(chǎn)品設(shè)計(jì)者應(yīng)用在不遠(yuǎn)的將來,通用和專用IP的設(shè)計(jì)將成為一個熱門行業(yè)!搞電路設(shè)計(jì)的前提是必須要具備一定的硬件知識。在這個層面,干重于學(xué),當(dāng)然,快速入門是很重要的,越好的位子越不等人電路開發(fā)是黃金飯碗。
2.產(chǎn)品設(shè)計(jì)
把相對成熟的技術(shù)應(yīng)用到某些特定領(lǐng)域如通訊,視頻,信息處理等等開發(fā)出滿足行業(yè)需要并能被行業(yè)客戶接受的產(chǎn)品這方面主要是FPGA技術(shù)和專業(yè)技術(shù)的結(jié)合問題,另外還有就是與專業(yè)客戶的界面問題產(chǎn)品設(shè)計(jì)還包括專業(yè)工具類產(chǎn)品及民用產(chǎn)品,前者重點(diǎn)在性能,后者對價格敏感產(chǎn)品設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能為主要目的。
FPGA技術(shù)是一個實(shí)現(xiàn)手段在這個領(lǐng)域,F(xiàn)PGA因?yàn)榫邆浣涌冢刂疲δ躀P,內(nèi)嵌CPU等特點(diǎn)有條件實(shí)現(xiàn)一個構(gòu)造簡單,固化程度高,功能全面的系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)將是FPGA技術(shù)應(yīng)用最廣大的市場,具有極大的爆發(fā)性的需求空間產(chǎn)品設(shè)計(jì)對技術(shù)人員的要求比較高,路途也比較漫長不過現(xiàn)在整個行業(yè)正處在組建“首發(fā)團(tuán)隊(duì)”的狀態(tài),只要加入,前途光明產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一種職業(yè)發(fā)展方向定位,不是簡單的愛好就能做到的!產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域會造就大量的企業(yè)和企業(yè)家,是一個近期的發(fā)展熱點(diǎn)和機(jī)遇
3.系統(tǒng)級應(yīng)用
系統(tǒng)級的應(yīng)用是FPGA與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)一種FPGA版的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)如用Xilinx V-4, V-5系列的FPGA,實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌POWER PC CPU, 然后再配合各種外圍功能,實(shí)現(xiàn)一個基本環(huán)境,在這個平臺上跑LINUX等系統(tǒng)這個系統(tǒng)也就支持各種標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和功能接口(如圖象接口)了這對于快速構(gòu)成FPGA大型系統(tǒng)來講是很有幫助的。這種“山寨”味很濃的系統(tǒng)早期優(yōu)勢不一定很明顯,類似ARM系統(tǒng)的境況但若能慢慢發(fā)揮出FPGA的優(yōu)勢,逐漸實(shí)現(xiàn)一些特色系統(tǒng)也是一種發(fā)展方向。
若在系統(tǒng)級應(yīng)用中,開發(fā)人員不具備系統(tǒng)的擴(kuò)充開發(fā)能力,只是搞搞編程是沒什么意義的,當(dāng)然設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)是另一種情況,搞系統(tǒng)級應(yīng)用看似起點(diǎn)高,但不具備深層開發(fā)能力,很可能會變成愛好者,就如很多人會做網(wǎng)頁但不能稱做會編程類似以上是幾點(diǎn)個人開發(fā),希望能幫助想學(xué)FPGA但很茫然無措的人理一理思路。這是一個不錯的行業(yè),有很好的個人成功機(jī)會。但也肯定是一個競爭很激烈的行業(yè),關(guān)鍵看的就是速度和深度當(dāng)然還有市場適應(yīng)能力。
4.最新應(yīng)用
北京時間2010年12月30日消息,美英兩國科學(xué)家聯(lián)合開發(fā)了一款運(yùn)算速度超快的電腦芯片,使當(dāng)前臺式機(jī)的運(yùn)算能力提升20倍。當(dāng)前的個人電腦使用雙核、4核、16核處理器來執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)。如今,美英研究人員開發(fā)的中央處理器(CPU)將1000個內(nèi)核有效集成于一個芯片上。這項(xiàng)突破或?qū)⒃诮窈髱啄觊_啟一個超高速運(yùn)算的新時代,使家庭用戶不再對運(yùn)行緩慢的電腦系統(tǒng)感到沮喪。雖然速度更快,但由于新型“超級”電腦的能耗遠(yuǎn)低于當(dāng)前電腦,所以更加環(huán)保。
研究人員采用了一種名為“現(xiàn)場可編程門陣列”(以下簡稱“FPGA”)的芯片,使得微晶片就像都含有數(shù)百萬個晶體管一樣,而晶體管則是任何電路的基本組成部分。不過,F(xiàn)PGA芯片可由用戶安裝到特定電路,它們的功能不是在出廠時就設(shè)定好的。這樣一來,用戶可以將晶體管劃分成一個個“小群體”,要求每個“小群體”完成不同的任務(wù)。通過在FPGA芯片內(nèi)創(chuàng)建逾1000個微電路,研究人員便將這個芯片變成了1000個內(nèi)核的處理器——每個內(nèi)核都可以遵照自己的指令工作。在測試中,F(xiàn)PGA芯片每秒能處理5GB的數(shù)據(jù),處理速度大概相當(dāng)于當(dāng)前臺式機(jī)的20倍。這項(xiàng)研究由英國格拉斯哥大學(xué)的韋姆·范德堡韋德(Wim Vanderbauwhede)博士和美國馬薩諸塞大學(xué)盧維爾分校的同行共同實(shí)施。
范德堡韋德說:“FPGA芯片沒有應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)電腦上,原因是對FPGA芯片編程相當(dāng)困難。FPGA芯片的處理能力強(qiáng)大,由于速度更快,能耗相當(dāng)?shù)停俏覀兏鼮榄h(huán)保的選擇。”雖然當(dāng)前市場上銷售的電腦大多數(shù)內(nèi)核超過一個,可以同時實(shí)施不同任務(wù),但傳統(tǒng)多核處理器只能共用一個存儲源,這降低了運(yùn)算速度。范德堡韋德的研究團(tuán)隊(duì)給每個內(nèi)核分配一定量的專用存儲空間,從而加快了處理器的運(yùn)算速度。
一名用戶坐在運(yùn)算速度很慢的臺式機(jī)前面,看上去一籌莫展。在測試中,F(xiàn)PGA芯片每秒能處理5GB的數(shù)據(jù),處理速度大概相當(dāng)于當(dāng)前臺式機(jī)的20倍
范德堡韋德博士說:“這只是初期概念驗(yàn)證研究,我們試圖展示對FPGA編程的便捷方式,令其超高速處理的潛力可以更為廣泛地應(yīng)用于未來的運(yùn)算器和電子設(shè)備上。雖然現(xiàn)有許多技術(shù)充分使用FPGA芯片,如等離子電視、液晶電視和電腦網(wǎng)絡(luò)路由器,但它們在標(biāo)準(zhǔn)臺式機(jī)上的應(yīng)用卻十分有限。”
“但是,我們看到,包括英特爾和ARM在內(nèi)的一些廠商已經(jīng)宣布將開發(fā)集成傳統(tǒng)CPU與FPGA芯片的微晶片。我認(rèn)為此類處理器會得到更廣泛的應(yīng)用,有助于在今后幾年進(jìn)一步提升電腦運(yùn)算速度。”范德堡韋德希望在2011年3月應(yīng)用重構(gòu)運(yùn)算國際研討會上詳細(xì)介紹他的研究發(fā)現(xiàn)。
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