【FPGA】编程方式

1 什么是PLD？

可编程逻辑器件 英文全称为：programmable logic device 即 PLD。在修改和升级PLD时，不需要额外地改变PCB，只在计算机上修改和更新程序，使硬件设计工作成为软件开发工作，缩短了系统设计的周期，提高了实现的灵活性并降低了成本，因此获得了广大硬件工程师的青睐，形成了巨大的PLD产业规模。
目前常见的PLD产品有编程只读存储器（Programmable Read Only Memory，PROM），现场可编程逻辑阵列（Field Programmable Logic Array，FPLA），可编程阵列逻辑（Programmable Array Logic，PAL），通用阵列逻辑（Generic Array Logic，GAL），可擦除的可编程逻辑器件（Erasable Programmable Logic Array，EPLA），复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）和现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）等类型。PLD器件从规模上又可以细分为简单PLD（SPLD）、复杂PLD（CPLD）及FPGA。

2 什么是颗粒度？

FPGA中的颗粒度是指可编程逻辑器件按照基本单元颗粒度的大小分类。‌

可编程逻辑器件根据基本单元颗粒度可以分为三类：

• ‌小颗粒度‌：这种类型的可编程逻辑器件以单个逻辑门为基础，例如“门海（sea of gates）”架构，其中每个基本单元是一个逻辑门。
• 中等颗粒度‌：FPGA属于这一类别，其基本单元不是单个逻辑门，而是由多个逻辑门组成的更大规模逻辑块。
• ‌大颗粒度‌：CPLD（Complex PLD）属于这一类别，它由多个小规模的SPLD（Simple PLD）作为基本逻辑块，通过开关连接而成，形成中规模（大规模）PLD。这种结构避免了单纯扩大AND-OR阵列规模导致的资源浪费，因为CPLD的逻辑部分和开关部分的延迟时间比较固定，设计较为容易。

3 可编程逻辑器件的编程方式有哪些？

按照编程工艺可以分为4类：

• 【非易失】熔丝（Fuse）和反熔丝（Antifuse）编程器件
• 【非易失】可擦除的可编程只读存储器（UEPROM）编程器件
• 【非易失】电信号可擦除的可编程只读存储器（E2 PROM）编程器件（如CPLD）
• 【易失】SRAM编程器件（如FPGA）。

3.1 SRAM 编程技术

SRAM使用标砖CMOS工艺设计加工。通过传输管控制存储信息的读写。当传输管导通时，SRAM单元内存储的信息可由数据端读取或改写；当传输管截止时，存储的信息被首尾相连的两个反相器锁定，由Q和Q′端输出。理论上，SARM单元可被配置无数次。

基于SRAM单元的可编程技术存在一系列需要解决的问题：

1. 断电后，SRAM存储的信息将全部丢失，所以通常使用外部非易失性存储器来存储相关配置信息，如Flash或E2 PROM等。
2. 上电复位后，配置信息需从外部存储器写入器件，配置信息有可能被窃取。
3. SRAM单元用来控制传输管的导通或截止，对FPGA内的信号传输路径进行编程，传输管并不是一种理想开关元件，对信号传输会带来相当大的阻性和容性负载，降低信号完整性。

3.2 Flash/EEPROM 编程技术

与SRAM相比，Flash结合了非易失性和可重复编程的特点，上电后无须配置。用Flash结构替代FPGA中的5管或6 管SRAM存储单元，可大大减少晶体管数量，降低静态功耗,整个器件的静态电流可低至微安量级；而基于SRAM存储结构的主流商用FPGA产品，静态电流普遍在毫安量级。但是，基于Flash结构的FPGA具也有其自身局限性，表现在：

1. Flash存储单元擦写寿命是有限的，如Actel公司的PorASIC3系列产品，只能编程500次左右，这个次数对于大多数FPGA开发应用来说是远远不够的。
2. Flash结构需要特殊的半导体工艺，无法在第一时间应用最新工艺技术，器件规模和密度也远低于基于SARM可编程技术的FPGA。目前基于Flash结构的最大规模的商用FPGA器件只有约300万系统门容量，而最新基于SRAM存储单元的产品容量可达数千万系统门。
3. 同SRAM技术一样，Flash技术也具有传输管带来的信号完整性问题。

3.3 反熔丝编程技术

反熔丝结构在编程之前通常是开路的，通过编程使反熔丝结构局部小区域内具有相当高的电流密度，瞬间产生巨大的热功耗，将薄绝缘层介质熔化形成永久性通路。采用反熔丝结构的FPGA具有非易失性，面积小，信号传输路径具有较小寄生电阻和电容，可上电后直接使用，信息安全性高等优点。
但是，反熔丝技术的局限性非常明显，具体表现在以下几个方面：

1. 无法重复编程，不适用新产品开发。
2. 一次性编程不利于器件可靠性检测，编程后器件一次成功率低于另外两种技术。
3. 在不同工艺下，反熔丝材料的电性能具有相当大的差异，在最新工艺节点下实现反熔丝结构非常困难。
   采用反熔丝结构的FPGA在工艺上往往要落后于最新的工艺节点，规模和密度也低于采用SRAM可编程技术的FPGA。

3.4 编程技术比较

使用反熔丝技术和Flash技术可以获得最佳的面积和速度性能；使用EPROM和E2 PROM技术也可以获得较好的面积,但是性能较差；使用SRAM技术需要占用最大的芯片面积。

参考资料

《Xilinx FPGA高级设计及应用》汤琦、蒋军敏著