Lattice公司的FPGA技术与产品

Lattice是一家总部位于美国俄勒冈州波特兰市的公司。有时候也把Lattice公司称作莱迪斯半导体，该公司提供基于低功耗FPGA、视频和60GHz毫米波技术的各类产品。目前在波特兰、硅谷、上海都有研发中心，在马尼拉和新加坡有运营中心。

这几年，Lattice开发了一系列新的产品，涉及AI/机器学习、虚拟现实、手势/位置追踪、头戴式显示器、可穿戴设备等领域。

iCE系列芯片是Lattice开发的业界尺寸最小的FPGA芯片。

以前在对芯片进行编程时，经常插拔芯片，很容易造成管脚弯曲、甚至折断。有的时候开发系统，需要经常的刷写编程，如果经常插拔芯片，对开发的效率有很大的影响。对系统进行维护的时候也一样遇到这个问题。

Lattice发明了一种叫作ISP的技术。ISP指的是在系统可编程（In-System Programming）。

这种技术指的是空白芯片可以在电路板上的时候就对其进行编程，不需要把芯片先拿到编程器编程，然后从编程器取下来再安装到电路板上。ISP技术也可以对在电路板上已经编程过的芯片进行ISP方式的擦除和再度编程。很明显，这种技术的有点不需要有编程器。由此看来，这种技术的方便性让人印象非常深刻。ISP的实现方式是把芯片焊接在电路板上之后，为其留下和上位机通信的接口。配合下载电缆，上位机通过预留的这个接口对芯片内部的存储器进行写入，这样就可以实现不取下芯片的在系统可编程。

有一些类型的单片机就使用了ISP技术，比如说ATMEL公司的AT89SXXXX系列单片机、PHILIPS公司的P89C51RX2xx系列单片机。当ISP技术被用在FPGA领域后，FPGA开发就具有了和软件一样的优势了。软件的工作模式就是给它（或者不给）它输入参数，软件计算后给出输出。而FPGA呢，软件编程下载到FPGA芯片相当于把芯片挑选出要的和不要的门形成电路，外部输入通过电路后，计算出输出。如果能随时在系统修改FPGA芯片内的电路，这种在系统编程之后就立刻可以使用的硬件和软件本质上没什么区别了。所以，也把具有ISP的FPGA叫作软式硬件。

Lattice开发的具有ISP功能的器件类型是ispLSI器件。ispLSI器件焊接到电路板之后，一般可以形成一种类似万能板的模式，同一个外部模样的板子，可以实现各种各样的功能。区别在于最关键和最后的一个步骤：在系统编程。

现在的ispLSI器件，当对其进行现场改写的时候，可以通过从磁盘装入或者通过调制解调器送入结构文件。同时，ispLSI器件还支持实现远程编程。这对于现在最流行的云计算和大数据具有很好的契合。所谓的ISP编程过程，其细节如下：需要几个5v或3.3v的电源、一根5芯或者4芯的串行接口电缆、电脑、ispLSI器件的下载软件。所有的编程操作都是通过这根串行电缆与电路板的ISP器件之间完成。这根串行电缆有这么几个数据线：数据串入线SDI、模式选择线MODE、数据串出SDO、串行时钟SCLK、ISP使能信号线ispEN。很明显，工作方式是在使能信号线ispEN的控制下，根据模式选择，在时钟的触发下，进行串行数据的串入或串出。(www.xing528.com)

对于ispLSI系列器件来说，设计过程编译之后的文件保存为.jed格式，把这个.jed格式的文件写入到可编程器件内部编程单元的过程就实现了对ispLSI器件的编程。编程数据是以E2CMOS单元的形式存下来的。编程过程中，使用行地址和数据移位来对器件寻址。当某一个E2 CMOS单元置数0的时候，表示这个单元已经被编程或已经有一个逻辑连接了。当某一个单元被置数1的时候，表示这个单元被擦除掉了或目前处于开路状态。

编程分为对单个器件编程和对多个器件编程。单个器件编程很简单，PC机并口连接ISP编程电缆，电缆连接到电路板上的ISP接口。电路板上ISP芯片供电后，从PC端操作下载软件即可实现编程。多器件编程又分为菊花链式编程和并行方式编程。菊花链式编程指的是：ISP接口的SDI端接到第一个器件的SDI端，第一个器件的SDO端接到第二个器件的SDI端，第二个器件的SDO端接到第三个器件的SDI端，依次类推，最后一个器件的SDO端接到ISP接口的SDO端，完成一个闭环链。电缆中其他4根线并联。用这种方式编程，最多依次可以一条链连接8个ISP器件。并行方式编程指的是某个器件编程时，不影响其他器件的正常工作，该编程的编程，该工作的工作，大家并行运行，互不影响。

ispLSI器件也有自己的保密技术。所有的ispLSI器件都具有一位保密位来预防片内数据的非法复制。通过对保密位的编程，就可以实现外界对片内数据的读取。这种器件在设计的时候，设置了保密位可以被擦除，但是也设置了一旦保密位被擦除，则无法得知芯片内部结构。

目前很多FPGA芯片都具有边界扫描特性。边界扫描是目前非常流行的一种测试技术。ispLSI系列芯片提供了相应的一整套在片的扫描电路，具有4个引脚，而且这四个边界扫描的引脚与ISP编程信号是复用的。

ISP技术简化了制造的流程。通常的非ISP的高引脚数的器件在编程时，只能使用标准的逻辑编程器进行手工编程。原因是没有能处理高引脚数、高密度四线组扁平封装PLD的自动管理器。这就意味着，手工编程的过程中，会遇到诸如弯曲封装引线等情况。而编程时弯曲的引脚会导致器件接触不良，甚至会出现虚焊等现象。

而ISP器件则把这个问题简化了。ISP器件是直接先焊到电路板上再编程的。完全避免了以上各种困难。通常来说，简单的ISP技术FPGA芯片编程才需要几秒钟。

Lattice是业界最早拥有电可擦除CMOS技术的公司之一。其ISP编程可以涵盖0°C-70°C的范围。ISP器件就是采用电可擦除CMOS技术生产的。这保证了ISP的FPGA类器件的数据可以正常保持20年以上。

Lattice的ISP器件也是FPGA的一种，可以认为是一种复杂的PLD。它也具有普通FPGA的基本结构。它的基本结构包含：全局布线区GRP、输出布线区ORP、通用逻辑块GLB、保密单元SC、上锁保护LP。虽然各个部分取的名字不一样，但是各个功能区起的作用和Xilinx、ALtera公司的FPGA产品都类似。