FPGA技术的发展历史和动向

1.2 FPGA的典型应用领域

1.2.1 数据采集和接口逻辑领域

1.FPGA在数据采集领域的应用

由于自然界的信号大部分是模拟信号，因此一般的信号处理系统中都要包括数据的采集功能。通常的实现方法是利用A/D转换器将模拟信号转换为数字信号后，送给处理器，比如利用单片机(MCU)或者数字信号处理器(DSP)进行运算和处理。

对于低速的A/D和D/A转换器，可以采用标准的SPI接口来与MCU或者DSP通信。但是，高速的A/D和D/A转换芯片，比如视频Decoder或者Encoder，不能与通用的MCU或者DSP直接接口。在这种场合下，FPGA可以完成数据采集的粘合逻辑功能。

2.FPGA在逻辑接口领域的应用

在实际的产品设计中，很多情况下需要与PC机进行数据通信。比如，将采集到的数据送给PC机处理，或者将处理后的结果传给PC机进行显示等。PC机与外部系统通信的接口比较丰富，如ISA、PCI、PCI Express、PS/2、USB等。

传统的设计中往往需要专用的接口芯片，比如PCI接口芯片。如果需要的接口比较多，就需要较多的外围芯片，体积、功耗都比较大。采用FPGA的方案后，接口逻辑都可以在FPGA内部来实现了，大大简化了外围电路的设计。

在现代电子产品设计中，存储器得到了广泛的应用，例如SDRAM、SRAM、Flash等。这些存储器都有各自的特点和用途，合理地选择储存器类型可以实现产品的最佳性价比。由于FPGA的功能可以完全自己设计，因此可以实现各种存储接口的控制器。

3.FPGA在电平接口领域的应用

除了TTL、COMS接口电平之外，LVDS、HSTL、GTL/GTL+、SSTL等新的电平标准逐渐被很多电子产品采用。比如，液晶屏驱动接口一般都是LVDS接口，数字I/O一般是LVTTL电平，DDR SDRAM电平一般是HSTL的。

在这样的混合电平环境里面，如果用传统的电平转换器件实现接口会导致电路复杂性提高。利用FPGA支持多电平共存的特性，可以大大简化设计方案，降低设计风险。

1.2.2 高性能数字信号处理领域

无线通信、软件无线电、高清影像编辑和处理等领域，对信号处理所需要的计算量提出了极高的要求。传统的解决方案一般是采用多片DSP并联构成多处理器系统来满足需求。

但是多处理器系统带来的主要问题是设计复杂度和系统功耗都大幅度提升，系统稳定性受到影响。FPGA支持并行计算，而且密度和性能都在不断提高，已经可以在很多领域替代传统的多DSP解决方案。

例如，实现高清视频编码算法H.264。采用TI公司1GHz主频的DSP芯片需要4颗芯片，而采用Altera的StratixII EP2S130芯片只需要一颗就可以完成相同的任务。FPGA的实现流程和ASIC芯片的前端设计相似，有利于导入芯片的后端设计。

1.2.3 其他应用领域

除了上面一些应用领域外，FPGA在其他领域同样具有广泛的应用。

(1)汽车电子领域，如网关控制器/车用PC机、远程信息处理系统。

(2)军事领域，如安全通信、雷达和声纳、电子战。

(3)测试和测量领域，如通信测试和监测、半导体自动测试设备、通用仪表。

(4)消费产品领域，如显示器、投影仪、数字电视和机顶盒、家庭网络。

(5)医疗领域，如软件无线电、电疗、生命科学。

1.3 FPGA的工艺结构

随着FPGA的生产工艺不断提高，各种新技术被广泛应用到FPGA芯片的设计生产的各个环境。其中，生产工艺结构决定了FPGA芯片的特性和应用场合。

如图1.2所示是FPGA的主要几种生产工艺及典型产品。

图1.2 FPGA生产工艺及典型产品

1.3.1 基于SRAM结构的FPGA

目前最大的两个FPGA厂家Xilinx和Altera的所有FPGA产品都是基于SRAM工艺来实现的。这种工艺的优点是可以用较低的成本来实现较高的密度和较高的性能;缺点是掉电后SRAM会失去所有配置，导致每次上电都需要重新加载。

重新加载需要外部的器件来实现，不仅增加了整个系统的成本，而且引入了不稳定的因素。加载的过程容易受到外界干扰而导致加载失败，也容易受到“监听”而破解加载文件的比特流。

虽然基于SRAM结构的FPGA存在这些缺点，但是由于其实现成本低，还是得到了广泛的应用，特别是民用产品方面。

1.3.2 基于反融丝结构的FPGA

Actel公司擅长出品反融丝结构的FPGA。这种结构的FPGA只能编程一次，编程后和ASIC一样成为了固定逻辑器件。Quick Logic公司也有类似的FPGA器件，主要面向军品级应用市场。

这样的FPGA失去了反复可编程的灵活性，但是大大提高了系统的稳定性。这种结构的FPGA比较适合应用在环境苛刻的场合，比如高振动，强电磁辐射等航空航天领域。同时，系统的保密性也得到了提高。

这类FPGA因为上电后不需要从外部加载配置，所以上电后可以很快进入工作状态，即 “瞬间上电”技术。这个特性可以满足一些对上电时间要求苛刻的系统。由于是固定逻辑，这种器件的功耗和体积也要低于SRAM结构的FPGA。

1.3.3 基于Flash结构的FPGA

Flash具备了反复擦写和掉电后内容非易失特性，因而基于Flash结构的FPGA同时具备了SRAM结构的灵活性和反融丝结构的可靠性。这种技术是最近几年发展起来的新型FPGA实现工艺，目前实现的成本还偏高，没有得到大规模的应用。

系统安全的角度来看，基于Flash的FPGA具有更高的安全性，硬件出错的几率更小，并能够通过公共网络实现安全性远程升级，经过现场处理即可实现产品的升级换代。这种性能减少了现场解决问题所需的昂贵开销。

在Flash器件中集成小型的NVM(Non Volatile Memory，非易失性存储器)模块可以在某些消费电子和汽车电子应用中实现授权技术。这种NVM可以存储安全通信所需的密钥，或者针对基于广播的系统实现机顶盒设备的串行化。

可重编程的NVM在编程时需要一定的电压，因此SRAM用户必须从外部提供这种电压。基于Flash的FPGA采用内部电荷泵进行编程，不需要集成NVM模块，而基于SRAM的FPGA通常缺乏这种功能。

Flash器件的工作频率可达350MHz，利用率超过95%，而SRAM FPGA一般能够达到的利用率仅为70～75%。Flash FPGA在加电时没有像SRAM FPGA那样大的瞬间高峰电流，并且SRAM FPGA通常具有较高的静态功耗和动态功耗。

例如，一块40万门的基于Flash的FPGA需要20mA的静态电流，然而同等规模的基于SRAM的FPGA所需的电流达100mA。SRAM FPGA的功耗问题往往迫使系统设计者不得不增大系统供电电流，并使得整个设计变得更加复杂。