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Actel FGPA技术专题讲座(1):Actel FPGA的特点(zz)

已有 1963 次阅读| 2009-3-23 12:50 |个人分类:FPGA设计

1、概述

FPGA的全称为现场可编程逻辑阵列，从1985年第一款FPGA产品诞生以来，由于其灵活性、可靠性、资源丰富等特点，以闪电般的速度从一个配角成为了主角，23年足够改变一切，“在未来十年中每一个电子设备都将有一个可编程逻辑芯片”的理想正将成为现实。

FPGA按照其工艺来分，大致可分为 SRAM架构和Flash架构的FPGA，SRAM的FPGA由于掉电无法保存数据，所以都需要外部增加一个昂贵的配置芯片，而且功耗也较大，在启动的时候需要几百毫安甚至几安的启动电流，给用户带来了极大的不便，因此新一代的Flash架构的FPGA越来越赢得大家的亲睐，它具有单芯片、高安全性、高可靠性、低功耗等特点，这些特点正是未来产品的需求，在Flash架构的FPGA厂家中，Actel占据着不可动摇的地位。

2、Actel公司介绍

Actel公司是全球四大FPGA厂家之一，总部位于美国，成立于1985年，在美国纽约的纳斯达克交易所上市，Actel公司一直致力于单芯片的FPGA解决方案，是一家拥有独特FPGA技术的领导性厂家，其独特的反熔丝技术和Flash技术的FPGA更是掀起了新一代FPGA的热潮。

Actel是美国军方的合作伙伴，占据了美国90%以上航天航空的FPGA市场，在过去的十多年中，Actel反熔丝的FPGA已经成功地应用于 300多个太空计划，这些应用足以证明Actel的FPGA在可靠性方面是毋庸置疑的。

反熔丝器件以军用市场为主，未对民用市场开放，所以一直以来大家对Actel的印象都是若隐若现，直到2002年，其创新的基于Flash架构的FPGA的出现，从此揭开了Actel神秘的面纱，从此Actel逐渐走向了民用市场，被大家所认知。第一款Flash架构的FPGA是ProASIC，其等同于CPLD的单芯片特点以及超越于CPLD的低功耗和大容量特点赢得了开发工程师的好评，越来越多的人使用Flash架构的FPGA去替换原有的CPLD和SRAM的FPGA。

随着社会需求的不断改变，Actel也在不断地改进FPGA的技术，不断完善和丰富FPGA的功能和内部资源，在2005年Actel推出了第三代Flash架构的FPGA——ProASIC3/E，ProASIC3/E的成功推出预言着新的一场FPGA之间的“战斗”即将拉开，ProASIC3/E系列是因应市场对全功能、低成本FPGA的强劲需求而设计的，主要面向消费、汽车及其它成本敏感的应用领域。

当时Actel 公司总裁兼首席执行长 John East 说：“过去10 年来，Flash 技术已发展成突破性的技术，对每个涉及领域都有着深远的影响。例如：Flash 技术使到手机、照相机和录像机的下一代产品发生了革命性的变化，现在则对可编程逻辑市场带来了同样的冲击。事实上，FPGA 技术的主流平台已出现根本改变，而Actel 正好处于领导位置。”

ProASIC3在各种杂志、媒体以及其它的相关的技术评选中频频获奖，例如：《电子设计技术》、《便携式产品》等，这些奖项的获得证明了它在一步一步被社会所认可，在一定程度上表明了Flash技术的FPGA将会在未来有着举足轻重的地位。与此同时，Actel在成熟的ProASIC3的基础上衍生出了更多极具个性的系列产品：

Fusion：业界首个带有模拟功能的FPGA，集成了12位AD、Flash Memory、RTC等部件，使SoC成为了现实；

IGLOO：超低功耗的FPGA，具有独特的Flash *Freeze的睡眠模式，在该模式下最低功耗可达5µW，并能保存RAM和寄存器的状态；

IGLOO+：在IGLOO的基础上对I/O进行了优化，提供超多的I/O口、支持斯密特触发器输入、热插拔等特点；

ProASIC3L：不仅具有ProASIC3的高性能，而且具有低功耗的特性；

Nano：业界最低功耗的FPGA，最低静态功耗可达2µW，具有3mm*3mm的超小封装，0.46美金的超低起定价。

这些系列都属于Actel第三代技术的Flash架构的FPGA，其不同的特点完全能够满足各种不同市场的需求，而且给用户带来了众多的选择和为提升用户产品的竞争力带来了意想不到的效果，进而Actel主推第三代的Flash器件自然而然地成为了令人属目的新星，下面让我们一起来共同了解Actel第三代Flash架构的FPGA激动人心的特点。

3、Flash架构FPGA的特点

Actel所有Flash架构的FPGA都具有相似的特点，但是每个系列又有各自独特的性格，使得它们相互补充，相互促进，为各行各业提供了独一无二的选择。

（1）先进的Flash开关

Actel的FPGA是基于Flash技术的FPGA，晶体管受7层金属保护，采用130nm工艺，每个Flash开关仅由两个晶体管组成：一个用于对此开关进行擦除、编程、校验等操作，另一个用于开关的选通。具有占用硅片面积小、低阻抗和容性负载、非易失性等特点。其实对FPGA进行编程其实就是对这些开关进行控制，实现连线的过程。

（2）单芯片

基于Flash架构的FPGA掉电非易失性，一旦被编程，配置数据就成为FPGA结构的一个固有部分，系统上电时不需要通过外部的配置芯片加载数据（这与基于SRAM的FPGA不同）。因此，基于Flash技术的FPGA不需要E²PROM或MCU等器件来配置FPGA。除此之外，Fusion还集成了12位AD、Flash Memory、模拟I/O、RTC等模拟部分，这是世界上首创的模数混合技术的FPGA，不仅降低了外围器件的费用、节省了印刷电路板（PCB）的空间，同时又提高了系统的安全性和可靠性。

（3）高度安全性

Actel Flash架构的FPGA的安全性体现在3个层次的保护：

第一层属于物理层的保护，Actel第三代Flash架构的FPGA的晶体管受7层金属的保护，去除金属层的难度非常的大，很难实现反向工程（通过一定的手段去除金属层后看到内部晶体管的开关状态从而重现设计）；Flash FPGA非易失性，不需要外部的配置芯片，单芯片，上电即可运行，不需要担心在配置过程中数据流被截取。

第二层是Flash Lock的加密技术，顾名思义是对Flash单元的锁定作用，它是128位的加密算法，通过将密钥下载到芯片中进行加密来防止对芯片进行非授权的操作，经过加密的芯片，如果没有密钥就无法对芯片进行编程、擦除、校验等。

第三层是采用国际上标准的AES加密算法对编程文件进行加密的技术，AES是遵守美国联邦信息处理标准（FIPS）文献192的一种加密算法，美国政府机构使用它来保护敏感和公开信息。该算法可包含大约3.4×10³⁸个128位密钥，早期DES标准中密钥的大小为56位，大约可提供7.2×10¹⁶个密钥，2000年，国家标准技术研究学院（NIST）采用了AES标准来替代1977 DES标准，大大提高了加密的可靠性。国家标准技术研究学院（NIST）通过举例来说明由AES提供的理论安全性，假设一个计算系统可以在一秒钟内破解一个56位的DES密钥，那么要破解一个128位AES密钥可能要花费大约149万亿年，而据资料显示宇宙的年龄小于200亿年，可想而知其安全性的可靠程度。

Actel Flash FPGA基于上述三重保护，使用户宝贵的IP可以受到很好的保护，也让远程ISP变成可能，它将为可编程逻辑设计提供了最可靠的安全性。

（4）高可靠性

基于SRAM技术的晶体管不可避免存在两种错误：软错误（Soft Error）和固件错误（Firm Error），这是由于大气中的高能粒子（中子、粒子）轰击到SRAM的晶体管引起的，由于其带有较高的能量，在碰撞某个晶体管过程中有可能改变晶体管的状态。

所谓软错误主要是针对SRAM的存储器来说的，例如：SRAM、DRAM等，当高能粒子轰击到SRAM的数据存储器，会使得数据状态发生反转，由原来的0变为1或者1变为0 ，导致数据的暂时错误，当重新写入数据后，该错误又会消失，这是可恢复的错误，可以通过FPGA内置的错误检测和校正（EDAC）电路来减少这些错误的发生。

所谓固件错误是指当SRAM FPGA配置单元或者布线结构遭受到大气中高能粒子的轰击，而发生了逻辑功能的改变或者连线的错误现象，最终的后果将会导致一次系统地彻底失败，这种错误将会一直存在直到被检查修改为止。

Actel Flash架构的FPGA对于固件错误有很好的免疫作用，这是由于它独特的Flash技术所决定的，如果要改变一个Flash工艺的晶体管状态需要一定的高压，而一般的高能粒子是无法达到这个要求的，所以几乎不存在这种威胁。

（4）低功耗

FPGA的功耗一般有4种：上电功耗、配置功耗、静态功耗和动态功耗，一般的FPGA都具有这四种功耗，而Actel Flash FPGA由于上电不需要一个很大的启动电流，并且掉电非易失，不需要配置过程，所以只有静态功耗和动态功耗，没有上电功耗和配置功耗。

基于Flash技术的FPGA每个可编程的开关都是由2个晶体管构成，而基于SRAM技术的FPGA每个可编程开关是由6个晶体管构成，所以单纯从开关的功耗上分析，Flash FPGA的开关消耗功耗要比SRAM FPGA低很多。

Fusion系列支持低功耗的模式，芯片本身可提供一个1.5 V电压供内核使用，并且可以通过内部的RTC以及FPGA的逻辑实现掉电和唤醒的功能，以达到降低功耗的目的；Actel IGLOO和IGLOO+系列的FPGA更是为手持设备的应用而设计的，其独特的Flash*Freeze模式可以将静态功耗最低降至5uW，并能保存RAM的数据。

Actel Flash FPGA无论是静态功耗还是动态功耗都会比竞争对手低很多，可以应用于对功耗敏感、需要低功耗的场合，例如：PDA、游戏机等。

（5）内可嵌高性能处理器

嵌入式系统中除了具有一颗高性能的FPGA以外，往往需要有一个处理器来处理一些算法或系统级的任务，一般的做法是通过一个8051或ARM芯片加上一个FPGA来完成，但是在某些场合对体积、成本有苛刻要求的时候，该方法的缺陷就被暴露无疑，而Actel针对该问题提供了单芯片的SOC解决方案，将处理器嵌入到FPGA内部，实现单芯片的解决方案。时下Actel可以提供8位的CoreABC、Core8051、Core8051s处理器，可以提供32位的ARM7、CortexM1处理器，这些都是软核，其外设可以由用户裁减，打造独一无二的用户处理器芯片，另外Actel将会在2009年提供性能更优、功能更强大的CortexM3硬核处理器，不占用FPGA的逻辑资源，完美地将FPGA和ARM结合在了单个芯片上，这将成为FPGA领域跨时代的里程碑。