FPGA设计基础可编程逻辑器件
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
MAX II 器件家族
Feature 逻辑单元 (LE) EPM240/G 240 EPM570/G 570 EPM1270/G 1,270 EPM2210/G 2,210
等效宏单元 （Macrocell）
最大用户IO
192
80
440
160
980
212
1,700
272
内置Flash大小 (bit)
管脚到管脚延时 (ns)
Stratix II 系列概览 功能 EP2S15 EP2S30 EP2S60 EP2S90 EP2S130 EP2S180
自适应逻辑模块（ALM）
等效逻辑单元 （LE） M512 RAM 块 (512 bits) M4K RAM 块 (4 Kbits） M-RAM 块(512 K） 总共 RAM bits DSP块（每个DSP包含4 个18x18乘法器） 锁相环（PLL）
8K
3.6-4.5
8K
3.6-5.5
8K
3.6-6.0
8K
3.6-6.5
2.主流FPGA产品 Altera的主流FPGA分为两大类，一种侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足 一般的逻辑设计要求，如Cyclone，CycloneII；还有一种侧重于高性能应用，容 量大，性能能满足各类高端应用，如Startix，StratixII等，用户可以根据自己实际 应用要求进行选择。 在性能可以满足的情况下，优先选择低成本器件。 Cyclone（飓风）：Altera中等规模FPGA，2003年推出，0.13um工艺,1.5v内核 供电，与Stratix结构类似，是一种低成本FPGA系列 ，是目前主流产品，其配置 芯片也改用全新的产品。 简评：Altera最成功的器件之一，性价比不错，是一种适合中低端应用的通用 FPGA，推荐使用 型号（1.5V） EP1C3 EP1C4 EP1C6 逻辑单元 2,910 4,000 5,980 锁相环 1 2 2 M4K RAM 块 13 17 20 每块RAM为4Kbit， 可以另加1位奇 偶校验位 备注
Xilinx IP 核 ： Xilinx公司拥有非常完整的IP库
芯片选型指导 1.主流PLD产品 XC9500 Flash工艺PLD,常见型号有XC9536， XC9572，XC95144等。型号后两位表示宏单元数量。 XC9500: 简评：5V产品已经不推荐使用 XC9500XL/XV: 简评：XC9500XL系列 目前仍然是Xilinx主要的PLD产品
138
171 183 292
2
4 4 6
10
12 14 18
每个DSP 块可实现4 个9x9乘法/ 累加器 RAM块可 以另加奇偶 校验位
EP1S80
EP1S120
79040
114140
767
1118
364
520
9
12Βιβλιοθήκη Baidu
22
28
StratixII: Stratix的下一代产品，2004年中期推出，90um工艺，1.2v内核供电，大 容量高性能FPGA 。 简评：性能超越Stratix,是未来几年中，Altera在高端FPGA市场中的主力产品。
优先选择低成本器件。
Spartan-3/3L: 新一代FPGA产品，结构与VirtexII类似，全球第一款90nm
工艺FPGA，1.2v内核，于2003年开始陆续推出。
简评：成本低廉，总体性能指标不是很优秀，适合低成本应用场合，是 Xilinx未来几年在低端FPGA市场上的主要产品，目前市场上中低容量型号
5v XC9536 3.3v XC9536XL 2.5v XC9536XV 宏单元 36 备注
XC9572
XC95108 XC95144 XC95288
XC9572XL
XC95108XL XC95144XL XC95288XL
XC9572XV
XC95108XV XC95144XV XC95288XV
EP2C8 8,256 36 165,888 18 2 182
EP2C20 18,752 52 239,616 26 4 315
EP2C35 33,216 105 483,840 35 4 475
EP2C50 50,528 129 594,432 86 4 450
EP2C70 68,416 250 1,152,000 150 4 622
第2章 可编程逻辑器件
主要厂商
随着可编程逻辑器件应用的日益广泛，许多IC制造厂 家涉足PLD/FPGA领域。目前世界上有十几家生产 CPLD/FPGA的公司，最大的三家是：
ALTERA，
XILINX，
Lattice，
其中ALTERA和XILINX占有了60%以上的市场份额。
1、
概 述 九十年代以后发展很 快，最大的可编程逻辑器 件供应商之一 左图：位于硅谷圣侯塞的 ATERA总部
72
108 144 288
CoolRunner-II： 1.8v低功耗PLD产品，
简评：静态功耗很低，性能指标优于XC9500，主要用于 用于电池供电系统，国内使用者还不是非常广泛。
1.8v XC2C32 XC2C64 32 64 宏单元 备注
XC2C128
XC2C256 XC2C384
128
256 384
开发软件 MAX+PLUSII ：普遍认为MaxplusII曾经是最优秀的PLD开 发平台之一，适合开发早期的中小规模PLD/FPGA，目前已 经由QuartusII替代，不再推荐使用； QuartusII ：Altera新一代FPGA/PLD开发软件，适合新器件 和大规模FPGA的开发。 SOPC Builder：配合QuartusII，可以完成集成CPU的FPGA 芯片的开发工作 DSP Builder：QuartusII与Mathlab的接口，利用IP核在
XC2C512
512
1.主流FPGA产品 Xilinx的主流FPGA分为两大类，一种侧重低成本应用， 容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求，如
Spartan系列；还有一种侧重于高性能应用，容量大，性
能能满足各类高端应用，如Virtex系列，用户可以根据自 己实际应用要求进行选择。 在性能可以满足的情况下，
132,540 699 609 6 6,747,840 63 12
71,760
179,400 930 768 9 9,383,040 96 12
最大可用I/O管脚
358
542
702
886
1,110
1,158
2、
概述 FPGA的发明者，老牌PLD/FPGA公司，是最大可编程逻 辑器件供应商之一。99年Xilinx收购了Philips的PLD部门。
有特色，种类齐全，性能不错。99年Lattice收购Vantis（原
AMD子公司）,2001年收购Lucent微电子的FPGA部门，2004
年以后开始大规模进入FPGA领域，是世界第三大可编程逻辑
器件供应商。目前Lattice公司在上海设有研发部门。
产品选型指导
Lattice在PLD领域发展多年，拥有众多产品系列，目前主流
EP1C12
EP1C20
12,060
20,060
2
2
52
64
CycloneII：Cyclone的下一代产品，2005年开始推出，90nm工艺，1.2v 内核供电，属于低成本FPGA，性能和Cyclone相当，提供了硬件乘法器单 元。
简评：刚刚推出的新一代低成本FPGA，目前市场零售还不容易买到，估
Virtex-4: xilinx最新一代高端FPGA产品，包含三个子 系列：LX，SX，FX 。 简评：各项指标比上一代VirtexII均有很大提高，获得
2005年EDN杂志最佳产品称号，从2005年年底开始
批量生产，将逐步取代VirtexII，VirtexII-Pro,是未来 几年Xilinx在高端FPGA市场中的最重要的产品， Virtex-II:2002年推出，0.15um工艺，1.5v内核，大规模高端FPGA产品 简评：Xilinx比较成功的产品，目前在高端产品中使用广泛，新设计推荐用 户转到Virtex-4器件上。 Virtex-II pro: 基于VirtexII的结构，内部集成CPU和高速接口的FPGA产品
很容易购买到，大容量相对少一些。
Spartan-3E：xilinx最新推出的低成本FPGA，基于Spartan-3/3L，对 性能和成本进一步优化 简评：成本低廉，总体性能指标不是很优秀，适合低成本应用场合，
是Xilinx未来几年在低端FPGA市场上的主要产品，目前刚刚推出，很
多型号还没有大批量生产。
计从2005年年底开始，将逐步取代Cyclone器件，成为Altera在中低FPGA 市场中的主力产品。
Cyclone II 系列概览
特性 逻辑单元（ LE ） M4K RAM 块 RAM 总量 嵌入式18×18乘法 器 锁相环（PLL） 最大可用I/O管脚
EP2C5 4,608 26 119,808 13 2 142
Stratix ：altera大规模高端FPGA,2002年中期推出，0.13um工艺，1.5v内
核供电。集成硬件乘加器,芯片内部结构比Altera以前的产品有很大变化。
简评：Startix芯片在2002年的推出，改变了Altera在FPGA市场上的被动局 面。该芯片适合高端应用。 随着2005年新一代StratixII器件的推出，将被 StratixII逐渐取代。
开发软件：
ISE：Xilinx公司集成开发的工具
Foundation: Xilinx公司早期的开发工具，逐步被ISE取代
ISE Webpack： Webpack是xilinx提供的免费开发软件， 功能比ISE少一些，可以从xilinx网站下载 嵌入式开发套件（EDK）： 用于开发集成PowerPC硬核 和MicroBlaze软核CPU的工具 System Generator for DSP ：配合Mathlab，在FPGA中 完成数字信号处理的工具
作。部分型号还集成锁相环和RAM块
型号 LCMXO 256 LCMXO 640 LCMXO 1200 LCMXO 2280 LUT数 量 256 640 1200 2280 等效宏单 元 128 320 600 1140 嵌入式 RAM块 0 0 1 3 分布式 RAM(Kbits) 2 6.1 6.4 7.7 锁相环 0 0 1 2 最大可用 IO数量 78 159 211 271
Mathlab中快速完成数字信号处理的仿真和最终FPGA实现
QuartusII软件：
支持Altera器件设计，支持原理图，HDL语言，
支持波形仿真，时间分析，编程下载。 一般情况不使用它的仿真工具，仿真工具用 Modelsim。
芯片选型指导：
1. 主流PLD产品： MAXII：新一代PLD器件，0.18um falsh工艺，2004年底推出，采用FPGA结 构,配置芯片集成在内部，和普通PLD一样上电即可工作。容量比上一代大大 增加，内部集成一片8Kbits串行EEPROM，增加很多功能。MAXII采用2.5v 或者3.3v内核电压，MAXII G系列采用1.8v内核电压。 简评：性价比不错，未来几年主流器件，推荐使用，不过MAXII容量较大， 对于只需要几十个逻辑单元的简单逻辑应用，建议使用小容量的EPM3000A 系列芯片。
简评：Xilinx第一款集成PowerPC和高速收发模块的FPGA，新设计推荐
用户转到Virtex-4 FX器件上。
3、
概 述：
Lattice（中文名：莱迪思）是ISP（在线可编程）技术的发明
者，ISP技术极大的促进了PLD产品的发展，80年代和90年代
初是其高速发展的黄金时期。Lattice中小规模PLD/FPGA比较
逻辑单元 LE
10570 18460
1.5v EP1S10 EP1S20
512bit RAM块
94 194
4Kbit RAM 块
60 82
512K MegaRAM 块 1 2 6
DSP块
备注
10
EP1S25
EP1S30 EP1S40 EP1S60
25660
32470 41250 57120
224
295 384 574
产品是 ispMACH4000系列PLD和LatticeEC/ECP系列FPGA， 此外，在混合信号芯片上，也有诸多建树，如可编程模拟芯
片ispPAC，可编程电源管理，时钟管理等。
1.PLD产品 MachXO: Lattice利用FPGA技术和结构设计的新一代PLD，
0.13um Flash工艺。 不需要加载，和传统PLD一样上电即可工
6,240
15,600 104 78 0 419,328 12 6
13,552
33,880 202 144 1 1,369,728 16 6
24,176
60,440 329 255 2 2,544,192 36 12
36,384
90,960 488 408 4 4,520,448 48 12
53,016
Feature 逻辑单元 (LE) EPM240/G 240 EPM570/G 570 EPM1270/G 1,270 EPM2210/G 2,210
等效宏单元 （Macrocell）
最大用户IO
192
80
440
160
980
212
1,700
272
内置Flash大小 (bit)
管脚到管脚延时 (ns)
Stratix II 系列概览 功能 EP2S15 EP2S30 EP2S60 EP2S90 EP2S130 EP2S180
自适应逻辑模块（ALM）
等效逻辑单元 （LE） M512 RAM 块 (512 bits) M4K RAM 块 (4 Kbits） M-RAM 块(512 K） 总共 RAM bits DSP块（每个DSP包含4 个18x18乘法器） 锁相环（PLL）
8K
3.6-4.5
8K
3.6-5.5
8K
3.6-6.0
8K
3.6-6.5
2.主流FPGA产品 Altera的主流FPGA分为两大类，一种侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足 一般的逻辑设计要求，如Cyclone，CycloneII；还有一种侧重于高性能应用，容 量大，性能能满足各类高端应用，如Startix，StratixII等，用户可以根据自己实际 应用要求进行选择。 在性能可以满足的情况下，优先选择低成本器件。 Cyclone（飓风）：Altera中等规模FPGA，2003年推出，0.13um工艺,1.5v内核 供电，与Stratix结构类似，是一种低成本FPGA系列 ，是目前主流产品，其配置 芯片也改用全新的产品。 简评：Altera最成功的器件之一，性价比不错，是一种适合中低端应用的通用 FPGA，推荐使用 型号（1.5V） EP1C3 EP1C4 EP1C6 逻辑单元 2,910 4,000 5,980 锁相环 1 2 2 M4K RAM 块 13 17 20 每块RAM为4Kbit， 可以另加1位奇 偶校验位 备注
Xilinx IP 核 ： Xilinx公司拥有非常完整的IP库
芯片选型指导 1.主流PLD产品 XC9500 Flash工艺PLD,常见型号有XC9536， XC9572，XC95144等。型号后两位表示宏单元数量。 XC9500: 简评：5V产品已经不推荐使用 XC9500XL/XV: 简评：XC9500XL系列 目前仍然是Xilinx主要的PLD产品
138
171 183 292
2
4 4 6
10
12 14 18
每个DSP 块可实现4 个9x9乘法/ 累加器 RAM块可 以另加奇偶 校验位
EP1S80
EP1S120
79040
114140
767
1118
364
520
9
12Βιβλιοθήκη Baidu
22
28
StratixII: Stratix的下一代产品，2004年中期推出，90um工艺，1.2v内核供电，大 容量高性能FPGA 。 简评：性能超越Stratix,是未来几年中，Altera在高端FPGA市场中的主力产品。
优先选择低成本器件。
Spartan-3/3L: 新一代FPGA产品，结构与VirtexII类似，全球第一款90nm
工艺FPGA，1.2v内核，于2003年开始陆续推出。
简评：成本低廉，总体性能指标不是很优秀，适合低成本应用场合，是 Xilinx未来几年在低端FPGA市场上的主要产品，目前市场上中低容量型号
5v XC9536 3.3v XC9536XL 2.5v XC9536XV 宏单元 36 备注
XC9572
XC95108 XC95144 XC95288
XC9572XL
XC95108XL XC95144XL XC95288XL
XC9572XV
XC95108XV XC95144XV XC95288XV
EP2C8 8,256 36 165,888 18 2 182
EP2C20 18,752 52 239,616 26 4 315
EP2C35 33,216 105 483,840 35 4 475
EP2C50 50,528 129 594,432 86 4 450
EP2C70 68,416 250 1,152,000 150 4 622
第2章 可编程逻辑器件
主要厂商
随着可编程逻辑器件应用的日益广泛，许多IC制造厂 家涉足PLD/FPGA领域。目前世界上有十几家生产 CPLD/FPGA的公司，最大的三家是：
ALTERA，
XILINX，
Lattice，
其中ALTERA和XILINX占有了60%以上的市场份额。
1、
概 述 九十年代以后发展很 快，最大的可编程逻辑器 件供应商之一 左图：位于硅谷圣侯塞的 ATERA总部
72
108 144 288
CoolRunner-II： 1.8v低功耗PLD产品，
简评：静态功耗很低，性能指标优于XC9500，主要用于 用于电池供电系统，国内使用者还不是非常广泛。
1.8v XC2C32 XC2C64 32 64 宏单元 备注
XC2C128
XC2C256 XC2C384
128
256 384
开发软件 MAX+PLUSII ：普遍认为MaxplusII曾经是最优秀的PLD开 发平台之一，适合开发早期的中小规模PLD/FPGA，目前已 经由QuartusII替代，不再推荐使用； QuartusII ：Altera新一代FPGA/PLD开发软件，适合新器件 和大规模FPGA的开发。 SOPC Builder：配合QuartusII，可以完成集成CPU的FPGA 芯片的开发工作 DSP Builder：QuartusII与Mathlab的接口，利用IP核在
XC2C512
512
1.主流FPGA产品 Xilinx的主流FPGA分为两大类，一种侧重低成本应用， 容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求，如
Spartan系列；还有一种侧重于高性能应用，容量大，性
能能满足各类高端应用，如Virtex系列，用户可以根据自 己实际应用要求进行选择。 在性能可以满足的情况下，
132,540 699 609 6 6,747,840 63 12
71,760
179,400 930 768 9 9,383,040 96 12
最大可用I/O管脚
358
542
702
886
1,110
1,158
2、
概述 FPGA的发明者，老牌PLD/FPGA公司，是最大可编程逻 辑器件供应商之一。99年Xilinx收购了Philips的PLD部门。
有特色，种类齐全，性能不错。99年Lattice收购Vantis（原
AMD子公司）,2001年收购Lucent微电子的FPGA部门，2004
年以后开始大规模进入FPGA领域，是世界第三大可编程逻辑
器件供应商。目前Lattice公司在上海设有研发部门。
产品选型指导
Lattice在PLD领域发展多年，拥有众多产品系列，目前主流
EP1C12
EP1C20
12,060
20,060
2
2
52
64
CycloneII：Cyclone的下一代产品，2005年开始推出，90nm工艺，1.2v 内核供电，属于低成本FPGA，性能和Cyclone相当，提供了硬件乘法器单 元。
简评：刚刚推出的新一代低成本FPGA，目前市场零售还不容易买到，估
Virtex-4: xilinx最新一代高端FPGA产品，包含三个子 系列：LX，SX，FX 。 简评：各项指标比上一代VirtexII均有很大提高，获得
2005年EDN杂志最佳产品称号，从2005年年底开始
批量生产，将逐步取代VirtexII，VirtexII-Pro,是未来 几年Xilinx在高端FPGA市场中的最重要的产品， Virtex-II:2002年推出，0.15um工艺，1.5v内核，大规模高端FPGA产品 简评：Xilinx比较成功的产品，目前在高端产品中使用广泛，新设计推荐用 户转到Virtex-4器件上。 Virtex-II pro: 基于VirtexII的结构，内部集成CPU和高速接口的FPGA产品
很容易购买到，大容量相对少一些。
Spartan-3E：xilinx最新推出的低成本FPGA，基于Spartan-3/3L，对 性能和成本进一步优化 简评：成本低廉，总体性能指标不是很优秀，适合低成本应用场合，
是Xilinx未来几年在低端FPGA市场上的主要产品，目前刚刚推出，很
多型号还没有大批量生产。
计从2005年年底开始，将逐步取代Cyclone器件，成为Altera在中低FPGA 市场中的主力产品。
Cyclone II 系列概览
特性 逻辑单元（ LE ） M4K RAM 块 RAM 总量 嵌入式18×18乘法 器 锁相环（PLL） 最大可用I/O管脚
EP2C5 4,608 26 119,808 13 2 142
Stratix ：altera大规模高端FPGA,2002年中期推出，0.13um工艺，1.5v内
核供电。集成硬件乘加器,芯片内部结构比Altera以前的产品有很大变化。
简评：Startix芯片在2002年的推出，改变了Altera在FPGA市场上的被动局 面。该芯片适合高端应用。 随着2005年新一代StratixII器件的推出，将被 StratixII逐渐取代。
开发软件：
ISE：Xilinx公司集成开发的工具
Foundation: Xilinx公司早期的开发工具，逐步被ISE取代
ISE Webpack： Webpack是xilinx提供的免费开发软件， 功能比ISE少一些，可以从xilinx网站下载 嵌入式开发套件（EDK）： 用于开发集成PowerPC硬核 和MicroBlaze软核CPU的工具 System Generator for DSP ：配合Mathlab，在FPGA中 完成数字信号处理的工具
作。部分型号还集成锁相环和RAM块
型号 LCMXO 256 LCMXO 640 LCMXO 1200 LCMXO 2280 LUT数 量 256 640 1200 2280 等效宏单 元 128 320 600 1140 嵌入式 RAM块 0 0 1 3 分布式 RAM(Kbits) 2 6.1 6.4 7.7 锁相环 0 0 1 2 最大可用 IO数量 78 159 211 271
Mathlab中快速完成数字信号处理的仿真和最终FPGA实现
QuartusII软件：
支持Altera器件设计，支持原理图，HDL语言，
支持波形仿真，时间分析，编程下载。 一般情况不使用它的仿真工具，仿真工具用 Modelsim。
芯片选型指导：
1. 主流PLD产品： MAXII：新一代PLD器件，0.18um falsh工艺，2004年底推出，采用FPGA结 构,配置芯片集成在内部，和普通PLD一样上电即可工作。容量比上一代大大 增加，内部集成一片8Kbits串行EEPROM，增加很多功能。MAXII采用2.5v 或者3.3v内核电压，MAXII G系列采用1.8v内核电压。 简评：性价比不错，未来几年主流器件，推荐使用，不过MAXII容量较大， 对于只需要几十个逻辑单元的简单逻辑应用，建议使用小容量的EPM3000A 系列芯片。
简评：Xilinx第一款集成PowerPC和高速收发模块的FPGA，新设计推荐
用户转到Virtex-4 FX器件上。
3、
概 述：
Lattice（中文名：莱迪思）是ISP（在线可编程）技术的发明
者，ISP技术极大的促进了PLD产品的发展，80年代和90年代
初是其高速发展的黄金时期。Lattice中小规模PLD/FPGA比较
逻辑单元 LE
10570 18460
1.5v EP1S10 EP1S20
512bit RAM块
94 194
4Kbit RAM 块
60 82
512K MegaRAM 块 1 2 6
DSP块
备注
10
EP1S25
EP1S30 EP1S40 EP1S60
25660
32470 41250 57120
224
295 384 574
产品是 ispMACH4000系列PLD和LatticeEC/ECP系列FPGA， 此外，在混合信号芯片上，也有诸多建树，如可编程模拟芯
片ispPAC，可编程电源管理，时钟管理等。
1.PLD产品 MachXO: Lattice利用FPGA技术和结构设计的新一代PLD，
0.13um Flash工艺。 不需要加载，和传统PLD一样上电即可工
6,240
15,600 104 78 0 419,328 12 6
13,552
33,880 202 144 1 1,369,728 16 6
24,176
60,440 329 255 2 2,544,192 36 12
36,384
90,960 488 408 4 4,520,448 48 12
53,016