第三代非易失FPGA给予片上系统更多的功能

FPGA设计者对非易失可重复编程FPGA解决方案的喜爱仍在延续，这种方案所需的相关额外费用并不太大 。

设计人员对其的喜爱源于他们喜欢从一种产品中获取多种能力，而迄今为止，只有非易失性解决方案能够满足他们的要求，因为它可以提供：最小的电路板面积和最简单的系统集成、上电后能很快地获取逻辑，以及最高的安全性。  

事实上，除了这些传统要求，在前两代非易失FPGA产品的经验基础上，莱迪思半导体(Lattice Semiconductor)公司还认识到需要灵活的片上非易失存储器，以及作为非易失FPGA新要求的用于现场逻辑更新的全面解决方案。  

非易失FPGA的几种方案  

如今市场上有三种类型的FPGA：第一种是传统的SRAM FPGA，系统上电时需要一个外部的非易失存储器来配置FPGA；第二种是混合方法，把SRAM FPGA和非易失存储器组合在单个封装中；第三种常称为真正的单片非易失FPGA，将非易失的单元嵌入在同一裸片上作为FPGA逻辑。如图1所示，混合方法比SRAM方法好一些，而真正的非易失方法则是最佳方案，具有小尺寸、高安全性和上电时的瞬时运作。  



图1: 三种不同类型的FPGA  

非易失可重复编程FPGA的应用  

在诸如通信、消费、计算、军事和汽车等广泛且多样的终端市场中，非易失可重复编程FPGA被用来实现系统逻辑。非易失FPGA特别吸引那些要求减少部件数和占位面积，并迅速获得逻辑或高安全性的应用。  

1 小尺寸应用  

这里所说的小尺寸应用包括：手持条码扫描器、手持条码阅读器、智能电话、仪器与传感器、航空电子设备等。传统的 SRAM FPGA 需要一个引导存储器，在上电时载入SRAM配置。有时候配置载入通过电路板上的微处理器来完成，而另外一些时候应用中需要一个独立的引导存储器。这两个解决方案都不理想。从系统微处理器进行引导引入了额外的硬件和软件间的相互依赖，还要求微处理器在FPGA配置前就运行，从而阻碍了其在系统中的核心功能。使用独立的引导存储器则增加了电路板的面积、元件，及相关成本。通过整合片上的引导存储器，非易失FPGA提供了一个可选方案，也是更加完美的解决方案。  

2 要求快速获得逻辑的应用  

片上非易失存储器能使器件在上电1毫秒内准备好运作，与SRAM和混合FPGA相比，SRAM和混合FPGA的配置需要数十或几百毫秒。图2为“唤醒时间”的差别。在许多常见应用中，真正的非易失FPGA所带来的快速获得逻辑的功能正是人们希望得到的特性。这些应用包括：即插即用总线接口(PCI, PCI Express, CAN)、上电复位控制、处理器总线译码、FPGA加载器、ASIC初始化以及使用工作循环的低功耗设计等。



图2 具有非易失FPGA的迅速获得逻辑的能力  

3 要求设计安全性的应用  

在当今复杂的系统中，越来越多的FPGA被用来取代传统上用ASIC和微处理器实现的功能。十年前，FPGA只是系统的外围，而如今它是心脏。目前的FPGA工艺已使门数量达到几百万，FPGA成为非法盗版者的目标。FPGA设计者逐渐开始关注克隆、反向工程、过量生产、盗版服务等问题。  

系统设计者使用的大多数SRAM FPGA需要在系统每次上电时由引导器件进行配置。引导器件和FPGA之间的连接存在很大的风险，因为配置数据暴露在外，易于在上电时被盗取。在封装中嵌入非易失存储器的混合方法对这种情况的改进有限。然而，相关的工具能够免除封装材料并获得裸片的互连。真正的单片非易失器件没有这样的互联，因此能够提供绝佳的设计安全性。  

除了设计被盗取或复制，在许多系统中很重要的是确保FPGA没有被篡改。有这些要求的应用包括：信用卡读卡器、自动出纳机、武器系统以及游戏系统。  

4 非易失存储应用  

由于非易失FPGA在密度和功能方面的水平继续增强，许多设计者要在设计中整合非易失存储器。这些需求分成两种。  

第一种是能整合小的独立的EEPROM存储器，在许多系统中存储数据，例如电子ID码、版本码、日期打印、校准设置和资产ID。这种类型的存储器不是经常通过串行接口访问的。  

第二种类型是能够整合大的存储块，典型的应用为存储数据，例如错误码、上电自测试、数据查找表和微处理器码。对数据的写操作不是经常的，读数据则是经常的，读操作的速度影响整个系统的性能。  

5 现场更新  

当设备用于现场时，提供FPGA配置更新的能力就益发重要，如图3所示。这种能力为设备供应者提供了竞争优势，能对标准的改变、新的服务以及排除故障作出迅速回应。  



图3 在现场更新逻辑