建立专业的官方网站,教育推广,网站建设客户需求表,网站备案 二级域名FPGA编程方式 1 什么是PLD#xff1f;2 什么是颗粒度#xff1f;3 可编程逻辑器件的编程方式有哪些#xff1f;3.1 SRAM 编程技术3.2 Flash/EEPROM 编程技术3.3 反熔丝编程技术3.4 编程技术比较 参考资料 1 什么是PLD#xff1f;
可编程逻辑器件 英文全称为#xff1a;pr… FPGA编程方式 1 什么是PLD2 什么是颗粒度3 可编程逻辑器件的编程方式有哪些3.1 SRAM 编程技术3.2 Flash/EEPROM 编程技术3.3 反熔丝编程技术3.4 编程技术比较 参考资料 1 什么是PLD
可编程逻辑器件 英文全称为programmable logic device 即 PLD。在修改和升级PLD时不需要额外地改变PCB只在计算机上修改和更新程序使硬件设计工作成为软件开发工作缩短了系统设计的周期提高了实现的灵活性并降低了成本因此获得了广大硬件工程师的青睐形成了巨大的PLD产业规模。 目前常见的PLD产品有编程只读存储器Programmable Read Only MemoryPROM现场可编程逻辑阵列Field Programmable Logic ArrayFPLA可编程阵列逻辑Programmable Array LogicPAL通用阵列逻辑Generic Array LogicGAL可擦除的可编程逻辑器件Erasable Programmable Logic ArrayEPLA复杂可编程逻辑器件Complex Programmable Logic DeviceCPLD和现场可编程门阵列Field Programmable Gate ArrayFPGA等类型。PLD器件从规模上又可以细分为简单PLDSPLD、复杂PLDCPLD及FPGA。
图1 PLD器件类别 2 什么是颗粒度
FPGA中的颗粒度是指可编程逻辑器件按照基本单元颗粒度的大小分类。
可编程逻辑器件根据基本单元颗粒度可以分为三类
小颗粒度这种类型的可编程逻辑器件以单个逻辑门为基础例如“门海sea of gates”架构其中每个基本单元是一个逻辑门。中等颗粒度FPGA属于这一类别其基本单元不是单个逻辑门而是由多个逻辑门组成的更大规模逻辑块。大颗粒度CPLDComplex PLD属于这一类别它由多个小规模的SPLDSimple PLD作为基本逻辑块通过开关连接而成形成中规模大规模PLD。这种结构避免了单纯扩大AND-OR阵列规模导致的资源浪费因为CPLD的逻辑部分和开关部分的延迟时间比较固定设计较为容易。
3 可编程逻辑器件的编程方式有哪些
按照编程工艺可以分为4类
【非易失】熔丝Fuse和反熔丝Antifuse编程器件【非易失】可擦除的可编程只读存储器UEPROM编程器件【非易失】电信号可擦除的可编程只读存储器E2 PROM编程器件如CPLD【易失】SRAM编程器件如FPGA。
3.1 SRAM 编程技术
SRAM使用标砖CMOS工艺设计加工。通过传输管控制存储信息的读写。当传输管导通时SRAM单元内存储的信息可由数据端读取或改写当传输管截止时存储的信息被首尾相连的两个反相器锁定由Q和Q′端输出。理论上SARM单元可被配置无数次。
图2 5管 SRAM单元结构 基于SRAM单元的可编程技术存在一系列需要解决的问题
断电后SRAM存储的信息将全部丢失所以通常使用外部非易失性存储器来存储相关配置信息如Flash或E2 PROM等。上电复位后配置信息需从外部存储器写入器件配置信息有可能被窃取。SRAM单元用来控制传输管的导通或截止对FPGA内的信号传输路径进行编程传输管并不是一种理想开关元件对信号传输会带来相当大的阻性和容性负载降低信号完整性。
3.2 Flash/EEPROM 编程技术
与SRAM相比Flash结合了非易失性和可重复编程的特点上电后无须配置。用Flash结构替代FPGA中的5管或6 管SRAM存储单元可大大减少晶体管数量降低静态功耗,整个器件的静态电流可低至微安量级而基于SRAM存储结构的主流商用FPGA产品静态电流普遍在毫安量级。但是基于Flash结构的FPGA具也有其自身局限性表现在
Flash存储单元擦写寿命是有限的如Actel公司的PorASIC3系列产品只能编程500次左右这个次数对于大多数FPGA开发应用来说是远远不够的。Flash结构需要特殊的半导体工艺无法在第一时间应用最新工艺技术器件规模和密度也远低于基于SARM可编程技术的FPGA。目前基于Flash结构的最大规模的商用FPGA器件只有约300万系统门容量而最新基于SRAM存储单元的产品容量可达数千万系统门。同SRAM技术一样Flash技术也具有传输管带来的信号完整性问题。
3.3 反熔丝编程技术
反熔丝结构在编程之前通常是开路的通过编程使反熔丝结构局部小区域内具有相当高的电流密度瞬间产生巨大的热功耗将薄绝缘层介质熔化形成永久性通路。采用反熔丝结构的FPGA具有非易失性面积小信号传输路径具有较小寄生电阻和电容可上电后直接使用信息安全性高等优点。 但是反熔丝技术的局限性非常明显具体表现在以下几个方面
无法重复编程不适用新产品开发。一次性编程不利于器件可靠性检测编程后器件一次成功率低于另外两种技术。在不同工艺下反熔丝材料的电性能具有相当大的差异在最新工艺节点下实现反熔丝结构非常困难。 采用反熔丝结构的FPGA在工艺上往往要落后于最新的工艺节点规模和密度也低于采用SRAM可编程技术的FPGA。
3.4 编程技术比较
使用反熔丝技术和Flash技术可以获得最佳的面积和速度性能使用EPROM和E2 PROM技术也可以获得较好的面积,但是性能较差使用SRAM技术需要占用最大的芯片面积。
图3 5种编程技术比较 参考资料
《Xilinx FPGA高级设计及应用》汤琦、蒋军敏著
