1.1 FPGA技术的发展历史和动向

1.1.1 FPGA技术的发展历史

纵观数字集成电路的发展历史，经历了从电子管、晶体管、小规模集成电路到大规模以及超大规模集成电路等不同的阶段。发展到现在，主要有3类电子器件：存储器、处理器和逻辑器件。

存储器保存随机信息(电子数据表或数据库的内容);处理器执行软件指令，以便完成各种任务(运行数据处理程序或视频游戏);而逻辑器件可以提供特殊功

固定的或定制的。

可编程的或可变的。

其中，固定的或定制的逻辑器件通常称为专用芯片(ASIC)。ASIC是为了满足特定的用途而设计的芯片，例如MP3解码芯片等。其优点是通过固化的逻辑功FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、投入少，芯片价格不断下降。FPGA正在越来越多地取代传统上ASIC，特别是在小批量、个性化的产品市场方面。

1.1.2 FPGA技术的发展动向

随着芯片设计工艺水平的不断提高，FPGA技术呈现出了以下4个主要的发展动向。

1.基于FPGA的嵌入式系统(SoPC)技术正在成熟

System on Chip(SoC)技术在芯片设计领域被越来越广泛地采用，而SoPC技术是SoC技术在可编程器件领域的应用。这种技术的核心是在FPGA芯片内部构建处理器。Xilinx公司主要提供基于Power PC的硬核解决方案，而Altera提供的是基于NIOSII的软核解决方案。

Altera公司为NIOSII软核处理器提供了完整的软硬件解决方案，可以让客户短时间完成SoPC系统的构建和调试工作。

如图1.1所示，是Altera Stratix III FPGA基于NIOS II解决方案的内部结构图。

图1.1 NIOS II解决方案

2.FPGA芯片向高性

*FPGA具有并行处理针对高性针对带有低功耗串行连接功针对带有低功耗串行连接功针对 I/O 进行了优化。

这个平台是针对那些I/O数和性针对逻辑进行了优化。

这个平台是针对那些逻辑密度比I/O数更重要的应用，特别适于逻辑集成、DSP协处理和嵌入式控制，这些需要进行大量处理和窄接口或者少量接口的应用。

③ Spartan-3平台：针对密度*高和管脚数较多的应用。

这个平台是针对那些高逻辑密度和高 I/O 数都很重要的应用，特别适于高度集成的数据处理应用。

1.4.2 Altera公司的代表产品

1.面向高性能的StraitixIII系列FPGA

和Xilinx的Virtex-4系列对应，Altera公司也推出了StratixIII系列FPGA体系结构。StratixIII系列不仅性能比上一代提高很多，更重要的是静态和动态功耗比前代FPGA低了50%。

Stratix III器件经过设计，支持高速内核以及高速I/O，并且具有非常好的信号完整性。例如，它能够实现400MHz DDR3的FPGA。这种性能的提高源于以下几点。

增强DSP模块，方便实现了信号处理算法。

经过优化的内部存储器，改进了信号完整性存储器接口。

高性能外部存储器接口。

改进了布线体系结构。

灵活的I/O支持*新的外部存储器标准。

为了给客户的设计应用提供*好的性价比解决方案，Altera Stratix III FPGA提供3种型号，分别针对逻辑、DSP和存储器以及收发器进行了优化。

2.面向低成本的Cyclone III系列FPGA

低成本Cyclone III FPGA是Altera Cyclone系列的第三代产品。Cyclone III FPGA系列****地同时实现了低功耗、低成本和高性能，进一步扩展了FPGA在成本敏感、大批量领域中的应用。

Cyclone III FPGA采用TSMC公司的65-nm低功耗(LP)工艺技术。Cyclone III 器件对芯片和软件采取了更多的优化措施，在所有65-nm FPGA中是功耗*低的，在对成本和功耗敏感的大量应用中，提供丰富的特性推动宽带并行处理的发展。

Cyclone III 系列包括8个型号，具有5k～120k个逻辑单元(LE)，*多有534个用户I/O引脚。Cyclone III器件具有4MB嵌入式存储器、288个嵌入式18×18乘法器、专用外部存储器接口电路、锁相环(PLL)以及高速差分I/O等。

1.5 工程项目中FPGA芯片选择策略和原则

由于FPGA具备设计灵活、可以重复编程的优点，因此在电子产品设计领域得到了越来越广泛的应用。在工程项目或者产品设计中，选择FPGA芯片可以参考以下的几点策略和原则。

1.5.1 尽量选择成熟的产品系列

FPGA芯片的工艺一直走在芯片设计领域的前列，产品更新换代速度非常快。稳定性和可靠性是产品设计需要考虑的关键因素。厂家*新推出的FPGA系列产品一般都没有经过大批量应用的验证。选择这样的芯片会增加设计的风险。

而且，*新推出的FPGA芯片因为产量比较小，一般供货情况都不会很理想，价格也会偏高一些。如果成熟的产品能满足设计指标要求，那么*好选这样的芯片来完成设计。

例如，要用FPGA设计一块数据采集卡。采用Altera公司的Cyclone、CyloneII和CycloneIII等3个系列的芯片都可以完成这个功能。考虑到Cyclone和CyloneII是成熟产品，同时CyloneII又是Cyclone的升级产品，因此选择CyloneII是比较理想的方案。

1.5.2 尽量选择兼容性好的封装

FPGA系统设计一般采用硬件描述语言(HDL)来完成设计。这与基于CPU的软件开发又有很大不同。特别是算法实现的时候，在设计之前，很难估算这个算法需要占多少FPGA的逻辑资源。

作为代码设计者，希望算法实现之后再选择FPGA的型号。但是，现在的设计流程一般都是软件和硬件并行开始设计。也就是说，在HDL代码设计之前，就开始硬件板卡的设计。这就要求硬件板卡具备一定的兼容性，可以兼容不同规模的FPGA芯片。

幸运的是，FPGA芯片厂家考虑到了这一点。目前，同系列的FPGA芯片一般可以做到相同物理封装兼容不同规模的器件。例如，Xilinx的Spartan3系列FPGA，在BGA456封装下，可以选择3S200、2S400、3S1000、3S1500这4种型号的FPGA。

正是因为这一点，将来的产品就具备非常好的扩展性，可以不断地增加新的功能或者提高性能，而不需要修改电路板的设计文件。

1.5.3 尽量选择一个公司的产品

如果在整个电子系统中需要多个FPGA器件，那么尽量选择一个公司的产品。这样的好处不仅可以降低采购成本，而且降低开发难度。因为开发环境和工具是一致的，芯片接口电平和特性也一致，便于互联互通。

很多**次接触FPGA的设计师在芯片选型的时候都有过这个疑问。其实这两个*大的FPGA厂家位于美国的同一座城市，人员和技术交流都很频繁，因此产品各有的优势和特色，很难说清楚谁好谁坏。

在全球不同的地区，这两家公司的FPGA芯片产品的市场表现会有所差别。在中国市场，两家公司可以说是平分秋色，在高校里面Altera的客户会略多一些。针对特定的应用，两个厂家的产品目录里面都可以找到适合的系列或者型号。

比如，针对低成本应用，Altera公司的Cyclone系列和Xilinx公司的Spartan3系列是对应的。针对高性能应用，Altera公司的Stratix系列和Xilinx公司的Virtex系列是对应的。所以，*终选择那个公司的产品还是看***的使用习惯。