ＰｒｏＡＳＩＣ３

隨著工藝的不斷進(jìn)步，F(xiàn)PGA在邏輯密度、性能和功能上有了極大的提高，同時(shí)器件的成本也大幅下降，使得電子工程師逐漸傾向于在越來越多的產(chǎn)品中采用可編程邏輯器件。在突破了低功耗、低成本以及先進(jìn)工藝的瓶頸后，F(xiàn)PGA不斷以其可編程和靈活性向更多領(lǐng)域滲透，而眾多廠商的加入更使得FPGA市場(chǎng)群星璀璨，F(xiàn)PGA的應(yīng)用市場(chǎng)越來越廣泛、應(yīng)用的價(jià)值也越來越大。

FPGA的發(fā)展令人矚目，從原來的晶體管、集成電路，再發(fā)展到簡單的PLD，例如GLA、GAL等，接著出現(xiàn)了CPLD和FPGA，整個(gè)過程漫長而又曲折。從1985第一顆FPGA的誕生到現(xiàn)在的20多年間，F(xiàn)PGA技術(shù)的發(fā)展讓人難以想象，速度、資源、集成度都超越了人們的想象，以至于各行各業(yè)都開始關(guān)注和了解FPGA。目前從工藝上大致可以分為3類FPGA：Flash工藝、SRAM工藝、Flash+SRAM工藝，每種工藝都有其優(yōu)缺點(diǎn)，適應(yīng)一定的場(chǎng)合。

本文主要介紹Flash工藝FPGA的內(nèi)部架構(gòu)，這是一種全新的技術(shù)，有助于讀者了解FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)、資源和功能等，也為讀者對(duì)比現(xiàn)有的SRAM技術(shù)的FPGA提供參考依據(jù)。

1.ProASIC3的特點(diǎn)

ProASIC3是Actel第三代Flash架構(gòu)FPGA中的第一個(gè)器件，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的Flash FPGA，它主要面向消費(fèi)、汽車及其它成本敏感的應(yīng)用領(lǐng)域。由于它的特點(diǎn)非常突出，因此越來越多的工程師轉(zhuǎn)向使用ProASIC3，它具有如下特點(diǎn)：

·基于Flash架構(gòu)，無須昂貴的配置芯片，單芯片解決方案；

·1.5萬到300萬個(gè)系統(tǒng)門，分類齊全，供用戶自主選擇；

·最大504kbit的雙端口RAM和Ikbit的用戶FlashROM存儲(chǔ)器；

·最大616個(gè)用戶可用I／O；

·最高350MHz的性能；

·具有128位的Flash Lock和128位的AES加密，保護(hù)設(shè)計(jì)不被盜??；

·具有很好的系統(tǒng)成本。

正因?yàn)樯鲜龅奶攸c(diǎn)，Actel完全可以替換現(xiàn)有的CPLD和部分SRAM的FPGA，而且使產(chǎn)品更具特點(diǎn)，例如安全性更高、可靠性更強(qiáng)、更小的體積和更低的成本等。關(guān)于ProASIC3更詳細(xì)的優(yōu)勢(shì)介紹已經(jīng)在《Actel基于Flash架構(gòu)的FPGA講座(1)》中描述，下面將介紹組成FPGA的部件有哪些?它們之間的關(guān)系又將是怎樣的?

2.先進(jìn)的Flash開關(guān)

FPGA與ASIC最大的不同點(diǎn)是具有可編程的特點(diǎn)，從而使得FPGA非常靈活，可以實(shí)現(xiàn)多種不同用途的ASIC。所以FPGA被看作是一種通用的ASIC，我們可以通過編寫不同的代碼來改變其功能，但是FPGA內(nèi)部并不是所有的部件都可以讓用戶修改的，只有那些連線之間的開關(guān)可以通過程序來改變，最終的程序代碼也是轉(zhuǎn)換成對(duì)這些開關(guān)的控制。開關(guān)的性能決定了FPGA的性能，ProASIC3采用了Flash開關(guān)，因此帶來的優(yōu)點(diǎn)也是顯而易見的。下面我們來對(duì)比2種不同的開關(guān)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

Flash開關(guān)采用一種稱為懸浮柵的技術(shù)來保存開關(guān)的狀態(tài)，將2個(gè)MOS管的柵極連接在一起，其中一個(gè)MOS管通過位選擇信號(hào)Bitl和Bit2來控制懸浮柵上的電子，從而實(shí)現(xiàn)編程、擦除、校驗(yàn)等功能；另外一個(gè)MOS管用于互聯(lián)其它的部件。當(dāng)懸浮柵上被充電時(shí)該MOS管導(dǎo)通，當(dāng)懸浮柵的電子被移除時(shí)該MOS管被關(guān)閉。Flash的開關(guān)只用了2個(gè)MOS管，因此功耗和面積更小，更多的空間用于布線，而且這種結(jié)構(gòu)具有非易性的特點(diǎn)。

SRAM的開關(guān)使用4個(gè)MOS管來實(shí)現(xiàn)一個(gè)開關(guān)結(jié)構(gòu)，而且2個(gè)上拉電阻往往也用MOS管來代替，所以一般需要6個(gè)MOS管，這樣的結(jié)構(gòu)功耗大，而且掉電后狀態(tài)無法保存。

3.精細(xì)顆粒的邏輯單元

Actel所有Flash架構(gòu)的FPGA都采用了精細(xì)顆粒的邏輯單元，這是FPGA最基本的物理邏輯單元，每個(gè)FPGA廠家都會(huì)不同，但也各具優(yōu)勢(shì)，有些廠家的邏輯單元為LE，而Actel的邏輯單元為Tile。Actel采用了精細(xì)顆粒的邏輯單元使得它的結(jié)構(gòu)更加靈活，每個(gè)邏輯單元可以自由地轉(zhuǎn)換成觸發(fā)器或者查找表。觸發(fā)器可以實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯，查找表可以實(shí)現(xiàn)組合邏輯，如圖2所示，其中邏輯單元內(nèi)部除了一些門電路以外，還有許多可控的Flash開關(guān)，這些開關(guān)使得邏輯單元變得非常靈活，所以Actel的FPGA資源利用率可以在不影響性能的前提下接近100％。

而一般SRAM結(jié)構(gòu)FPGA的邏輯單元，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是固定的，無法靈活變動(dòng)，內(nèi)部由一個(gè)觸發(fā)器和一個(gè)LUT組成，這就是所謂的粗顆粒結(jié)構(gòu)的邏輯單元，其最小的單元都至少由一個(gè)觸發(fā)器和一個(gè)LUT組成。當(dāng)設(shè)計(jì)中只用到LUT時(shí)，另一半觸發(fā)器的資源就浪費(fèi)了。

4.更優(yōu)的布線資源

除了上述的2個(gè)資源外，F(xiàn)PGA很重要的一個(gè)組成部分就是布線資源，它直接影響設(shè)計(jì)的性能，足夠多的全局網(wǎng)絡(luò)可以讓更多高扇出的信號(hào)以最短的延時(shí)、最小的抖動(dòng)到達(dá)每個(gè)觸發(fā)器，自然性能也將是最優(yōu)的。ProASIC3具有7層金屬層，其中4層用于布線，分別為：超快速的局部連線資源、有效的長線資源、高速的超長線資源和高性能全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)，類似于PCB的多層板，如圖3所示。每種布線資源長短不一，根據(jù)實(shí)際情況供用戶選擇。

ProASIC3最多有18條全局網(wǎng)絡(luò)：6條片上全局網(wǎng)絡(luò)和12條象限全局網(wǎng)絡(luò)。在一般的設(shè)計(jì)中這些全局網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)足夠用，全局網(wǎng)絡(luò)可以走一些扇出特別大的信號(hào)，例如時(shí)鐘、復(fù)位等信號(hào)，而這些信號(hào)的路徑往往對(duì)一個(gè)系統(tǒng)性能起到了關(guān)鍵行性的作用。片上全局網(wǎng)絡(luò)與每個(gè)邏輯單元相連，而象限全局網(wǎng)絡(luò)與該象限內(nèi)的邏輯單元相連，使得到達(dá)每個(gè)邏輯單元的時(shí)間最短，并且大致都相等。全局網(wǎng)絡(luò)也可以分段利用，這樣就會(huì)使得更多的信號(hào)上到全局網(wǎng)絡(luò)，提高系統(tǒng)的性能。

5.ProASIC3的片內(nèi)外設(shè)

開關(guān)、邏輯單元、布線資源可謂是FPGA的內(nèi)核構(gòu)成，現(xiàn)在FPGA的集成度越來越高，很多的外設(shè)都集成在FPGA內(nèi)部，例如PLL、RAM、ROM等，ProASIC3也不例外。

ProASIC3最多可以提供6個(gè)模擬的鎖相環(huán)PLL，每個(gè)PLL位于CCC(時(shí)鐘調(diào)整電路)中，其輸入頻率為1.5～350MHz，輸出頻率為0.75N350MHz，具有6個(gè)可編程的延時(shí)模塊，3個(gè)相位選擇和最多3個(gè)不同頻率信號(hào)輸出，如圖4所示。

ProASIC3內(nèi)部最多具有504kbit的SRAM，可以實(shí)現(xiàn)真正的雙端口RAM(2個(gè)端口可以同時(shí)進(jìn)行讀寫)和2個(gè)端口的RAM，同時(shí)這些RAM塊帶有FIFO控制器，可以實(shí)現(xiàn)先進(jìn)先出隊(duì)列的FIFO，RAM和FIFO速度可達(dá)350MHz。

ProASIC3內(nèi)部具有1kbit的Flash ROM可供用戶使用，類似于普通的ROM操作，通過上位機(jī)軟件將數(shù)據(jù)固化在FPGA內(nèi)部的FROM，F(xiàn)PGA在運(yùn)行的過程中只能進(jìn)行讀操作，可以用于存放密鑰、序列號(hào)、版本號(hào)等信息。

ProASIC3還具有超強(qiáng)的加密功能，內(nèi)部不僅具有128位Flash Lock的加密，而且還有128位的AES加密。FlashLock主要對(duì)芯片進(jìn)行加密，而AES是對(duì)編程文件進(jìn)行加密，ProASIC3內(nèi)部具有AES的解密引擎，用于對(duì)AES加密的文件進(jìn)行解密。(待續(xù))