基于FPGA的信号发生器设计(4)
现在生产FPGA的主要公司有Xilinx、Altera、QuickLogic、Lattice等，其中Altera和Xilinx主要生产一般用途FPGA，其主要产品采用RAM工艺。Actel主要提供非易失性FPGA，产品主要基于反熔丝工艺和FLASH工艺。虽然这些公司生产的FPGA芯片的性能指标和具体结构、性能指标各不相同，但有一个共同点，就是都由逻辑功能块排列成阵列，并由可编程的互联资源连接这些功能块，实现的设计要求。
FPGA的基本结构如图3-1所示。包括三类基本结构：可编程逻辑功能块、可编程互连资源和可编程I/O模块。
图3-1 FPGA的基本结构
FPGA的基本特点
1）采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。
2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。
3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。
4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。
5) FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。
可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。
下面以世界上最大的可编程器件供应商Altera公司为例子，对Altera公司的FPGA芯片及其集成开发环境进行介绍。
经过多年的发展，Altera公司的FPGA从过去单一的FLEX10K系列，已经发展到现在的多个系列，形成了从低端到高端的一系列产品。规模从最初的几千门发展到百万门以上，包含从FLEX10K系列基础上发展起来的ACEX1K系列，以及规模较大和性价比又高的Cyclone系列，规模更大和功能更强的APEX系列，和高端的Stratix系列。这些系列的FPGA普遍采用了如低电压供电，IO电压与核电压分开的等许多新技术。片内集成了大容量的存储器。给电路设计提供了极大的方便。为满足不同接口之间的电平要求，用户可以根据自己的需要设置IO电压。此外，在一些高端的FPGA芯片中根据需要可以集成DSP，甚至内嵌微处理器软核，在FPGA中构建微处理器，使复杂的电路集成在一块FPGA上实现，能够让FPGA的性能进一步提高。从ACEX1K系列开始，为了进一步提高FPGA的工作速度，锁相环技术开始普遍地应用在FPGA芯片上。时钟通过锁相环进行倍频，可以让较慢的外部时钟在FPGA中驱动高速电路工作。ALtera公司较新生产的FPGA都设置了差分输入管脚，IO脚能输入的频率最高能达到604MHz，改善了输入输出性能。基于FPGA的电路设计，将随着FPGA技术的不断发展，变得越来越简单可靠。
在推出各个系列的FPGA芯片的同时，Altera公司也提供了对应的开发软件。通过这些软件，我们能按自己的需求进行电路设计。MaxPlusII、QuartusII是Altera提供的常用两种软件平台。如MaxPlusII和QuartusII这样的软件开发环境称之为集成开发环境，就是把许多开发工具集成在一个软件系统中，就形成了集成开发环境。时间上，MaxPlusII出现得比较早，主要支持的FPGA芯片为FLEX10K及ACEX1K系列。而在FPGA种类上，QuartusII支持的种类要多得多。几乎Altera现有的所有FPGA在QuartusII3.0以上版本都能支持，相比MaxPlusII多了许多的新功能，操作界面也更加人性化。以上两个软件集成了从电路设计开始，至综合，适配到最终下载以及在线配置FPGA，这些电路设计过程中需要的所有开发工具，还可对设计的电路进行功能仿真，以及对适配后最终形成的电路进行时序仿真。简而言之，就是在这个集成开发环境中可以完成基于FPGA电路设计过程中的全部工作。另外，MaxPlusII和QuartusII还提供如计数器、存储器、加法器、乘法器等LPM模块这些常用电路，当电路设计需要用到这些模块时，直接调用即可，是开发过程大大简化了。除了这些PLM模块。Altera公司还开发了许多有偿的IP核服务。这些IP核包括了很多如通信系统等复杂的模块，功能十分强大。使用这些IP核将使设计过程大大简化，缩短开发周期。