FPGA的基本结构及原理解析

1.常用FPGA的简介

（1）Xilinx公司的FPGA器件系列

Xilinx公司是最早推出FPGA器件的公司，1985年首次推出FPGA器件，现有XC2000/3000/3100/4000/5000/6200/8100、Virtex、Spartan、VirtexⅡPro等系列FPGA产品。

下面主要介绍常用的Virtex系列和SpartanⅡ系列。

①Virtex器件系列FPGA。Virtex器件系列FPGA是高速、高密度的FPGA，采用0.22μm、5层金属布线的CMOS工艺制造，最高时钟频率200MHz，集成度在5～100万门之间，工作电压2.5V。

②VirtexE和VirtexⅡPro器件系列FPGA。VirtexE器件系列FPGA是在Virtex器件基础上改进的，采用0.18μm、6层金属布线的CMOS工艺制造，时钟频率高于200MHz，集成度在5.8～400万门之间，工作电压1.8V。

该系列的主要特点是：内部结构灵活，内置时钟管理电路，支持3级存储结构；采用SelectI/O技术，支持20种接口标准和多种接口电压，支持ISC和JTAG边界扫描测试功能；采用SelectRAM存储体系，内嵌1MB的分成式RAM和最高832KB的块状RAM，存储器带宽1.66Tbit/s。

2001年，Xilinx公司推出了集成度更高（可达1000万系统门级），时钟管理更先进的VirtexIIPro等系列FPGA产品。可以说Virtex系列产品代表了Xilinx公司在FPGA领域的最高水平。

③SpartanⅡ器件系列FPGA。SpartanⅡ器件系列FPGA是在Virtex器件结构的基础上发展起来的，采用0.22μm/0.18μm、6层金属布线的CMOS工艺制造，最高时钟频率200M，集成度可达15万门，工作电压2.5V。

（2）Altera公司的FPGA器件系列

Altera公司的FPGA器件系列产品按推出的先后顺序有FLEX（Flexible Logic Element Matrix）系列、APEX（Advanced Logic Element Matrix）系列、ACEX（Advanced Communica-tion Logic Element Matrix）系列和Stratix系列。

①FLEX器件系列FPGA。FLEX器件系列FPGA是Altera公司为DSP应用设计最早推出的FPGA器件系列，包括FLEX10K/10A/10KE/8000/6000等品种，采用连续式互连和SRAM工艺制造，集成度可达25万门，内部结构灵活，内嵌存储块，能够实现较复杂的逻辑功能，但其速度不快，是目前在较低端领域的一种不错的选择。

②APEX和APEXII器件系列FPGA。APEX器件系列FPGA采用多核结构，是为系统级设计而推出的FPGA器件系列，包括APEX20K/20KE等品种，采用先进的SRAM工艺制造，集成度在数万门到数百万门之间。

2001年，Altera公司推出了在APEX器件基础上改进的APEXII器件系列FPGA，采用更先进的0.15μm全铜工艺制造（以前采用的是铝互连工艺），且I/O结构进行了很大改进，是高速数据通信的不错选择。

③ACEX器件系列FPGA。ACEX器件系列FPGA是Altera公司专门为通信、音频信号处理而设计的，采用先进的0.18μm、6层金属连线的SRAM工艺制造，集成度在数万门到数十万门之间，内嵌Nios处理器，有数字信号处理能力，存储容量、速度适中，价格低，是性价比较高的产品。工作电压2.5V，兼容5V。

④Stratix器件系列FPGA。Stratix器件系列FPGA包括Stratix、StratixGX和StratixⅡ等品种，是Altera公司2002年推出的新一代FPGA，采用先进的0.13μm全铜工艺制造，集成度可达数百万门以上，工作电压1.5V。

该系列的特点是：内部结构灵活，增强的时钟管理和锁相环（PLL），支持3级存储结构；内嵌3级存储单元：可配置为移位寄存器的512BRAM，4KB的标准RAM和512KB带奇偶校验位的大容量RAM；内嵌乘加结构的DSP块；增加片内终端匹配电阻，简化PCB布线；增加配置错误纠正电路；增强远程升级能力；采用全新的布线结构。其中，StratixⅡ是Altera公司所提供产品中密度最高、性能最好的产品，内嵌Nios处理器，有最好的DSP处理模块，大容量存储器，高速I/O、存储器接口，1Gbit/sDPA（Dynamic Phase Aligment），带同步信号源。

Stratix器件系列FPGA是Altera公司推出的可与Xilinx公司推出的VirtexⅡPro系列相媲美的FPGA产品。

除了以上3家公司的FPGA/CPLD产品外，还有Actel公司、Atmel公司、AMD公司、AT&T公司、TI公司、Intel公司、Motorola公司、Cypress公司、Quicklogic公司等都提供有各自带有不同特点的产品供选用，它们有的价格低，有的与主流厂家产品兼容，可上网查阅或查阅这些公司的数据手册（DataBook），在此不再介绍。

2.常用的CPLD/FPGA标识的含义

CPLD/FPGA生产厂家多，系列、品种更多，各生产厂家命名、分类不一，给CPLD/FP-GA的应用带来了一定的困难，但其标识是有一定的规律的。

下面对常用CPLD/FPGA标识进行说明。(www.xing528.com)

（1）CPLD/FPGA标识概说

CPLD/FPGA产品上的标识大概可分为以下几类：

①用于说明生产厂家的，如Altera、Lattice、Xilinx是其公司名称。

②注册商标，如MAX是为Altera公司其CPLD产品MAX系列注册的商标。

③产品型号，如EPM7128SLC84-15是Altera公司的一种CPLD（EPLD）的型号，是需要重点掌握的。

④产品序列号，是说明产品生产过程中的编号，是产品身份的标志，相当于人的身份证。

⑤产地与其他说明，由于跨国公司跨国经营，世界日益全球化，有些产品还有产地说明，如Made in China（中国制造）。

（2）CPLD/FPGA产品型号标识组成

CPLD/FPGA产品型号标识通常由以下几部分组成：

①产品系列代码，如Altera公司的FLEX器件系列代码为EPF。

②品种代码，如Altera公司的FLEX10K，10K即是其品种代码。

③特征代码，即集成度，CPLD产品一般以逻辑宏单元数描述，而FPGA一般以有效逻辑门来描述。如Altera公司的EPF10K10中后一个10，代表典型产品集成度是10K。要注意有效门与可用门不同。

④封装代码，如Altera公司的EPM7128SLC84中的LC，表示采用PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier，塑料方形扁平）封装。PLD封装除PLCC外，还有BGA（Ball Grid Array，球形网状阵列）、C/JLCC（Ceramic/J-leaded Chip Carrier）、C/M/P/TQFP（Ceramic/Metal/Plastic/Thin Quard Flat Package）、PDIP（Plastic Double In line Package）、PGA（Ceramic Pin GridArray）等多以其缩写来描述，但要注意各公司稍有差别，如PLCC，Atera公司用LC描述，Xilinx公司用PC描述，Lattice公司用J来描述。

⑤参数说明，如Altera公司的EPM7128SLC-15中的LC84-15，84代表有84个引脚，15代表速度等级为15ns。但有的产品直接用系统频率来表示速度，如ispLSI1016-60，60代表最大频率60MHz。

⑥改进型描述，一般产品设计都在后续进行改进设计，改进设计型号一般在原型号后用字母表示，如A、B、C等按先后顺序编号。有些不从A、B、C按先后顺序编号，则有特定的含义，如D表示低成本型（Down）、E表示增强型（Enhanced）、L表示低功耗型（Low）、H表示高引脚型（High）、X表示扩展型（eXtended）等。

⑦适用的环境等级描述，一般在型号最后以字母描述，C（Commercial）表示商用级（0～85℃），I（Industrial）表示工业级（-40～100℃），M（Material）表示军工级（-55～125℃）。

3.FPGA的基本结构

FPGA是采用查找表（LUT）结构的可编程逻辑器件的统称，大部分FPGA采用基于SRAM的查找表逻辑结构形式，但不同公司的产品结构也有差异。下面介绍Altera公司的FLEX系列FPGA基本结构和工作原理。

ACEX1K都采用基于SRAM的查找表逻辑结构形式，主要由嵌入式阵列块（Embedded ArrayLogic，EAB）、逻辑阵列块（LAB）、快通道互连（FastTrack，FT）和I/O单元（In-put/OutputElement，IOE）4部分组成，典型结构如图3-18所示。

图3-18 ACEX1K器件的结构