2019年06月26日 | 史海沉钩!FPGA三国志 技术大全

本文的作者是Altera一位员工，文中观点虽不免偏颇，但非常有助于对整个FPGA技术有个全面的了解。

FPGA三国志-第一篇/不可不看的故事

CPLD的时代

我在12年前，偶然接触PLD,没有想到自己居然就在这个行当里安身下来。可是这个行业也的确是个飞速发展的行业，十多年过去后，从当初的接近十家主要供应商，到今天已经激烈搏杀后，只有差不多如文章题目一样，成为了今天三足鼎立的局面。想来想去，决定以这个名字文章主题。同时也和大家分享我多年来的一些经历和感受。

全局布线，ISP,PLD,宏单元机构，成为PLD市场必备的武器。

CPLD时代，进入我国最早的供应商是Lattice，那个时候，也不是每个行业都用的了这种产品。首先，软件是需要收费的。这个和今天你可以轻松下载到免费的版本有很大的不同。另外，不同的授权，也决定你能使用不同的产品规模和设计语言。

90年代中，是电信行业大发展的年代。同时也是专用应用领域大发展的时代。当时pld是解决一个逻辑粘连的功能。同时由于Lattice很早进入市场，推广很成功。全局布线池的结构，对于布局布线要求不高。一度时间，很多大的通信企业，研究所，都很快成为Lattice的用户。但是，有句话说得好。“长江后浪推前浪，前浪死在沙滩上。”太早的成功也孕育着。安则危!

94年Altera已经有了一些用户。但是相对来说。还是很有局限性。另外过去的信息远远不可以与今天同日而语. 但是用过altera的工程师，已经为他的界面和功能留下了深刻的印象。96年是ALTERA在中国发力追赶的开始。当然，乱世出英雄。当时的代理商是一家香港的公司。他们很快找出这种集成电路最好的销售和支持模式。并且这种从大洋那边继承过来的方式，经过适当的改良，的确收到很好的效果。代理商有专门负责的现场应用工程师。这种方式极大方便了设计者与供应商之间的信息交流。在推广初期是否有技术支持，变得非常重要。这个时期在整个中国市场上涌现出很多非常优秀的现场技术工程师。今天已经有很多人成为这个行业的领军人物。

Lattice首开ISP技术先河，也就是今天常说的在线可编程，给所有设计者带来很大的方便。芯片在电路板上，可以直接编程调试。不用每次拔插芯片，再通过紫外线来擦写要方便得多。这个时候，Lattice还是明显占有上风的。毕竟先入为主嘛。当时主要的型号集中在Lattice ispLSI1032, 1016, Altera的EPM7128E,不过Altera已经做好了准备，因为，Altera毕竟是pld的发明者。而且也是最早采用Windows平台的开发工具。在美国市场上占有先机。他不会轻易放弃这样一个市场

当时的应用在电信领域主要是将之前的74系列的一些单元进行集成。同时加入一些控制功能。不过这个时期的产品结构都是采用mc单元结构。每个mc实际上就是相当于32到36个与非门，以Altera EPM3032为例就是认为有32*30到256*30，大致就是7000门左右，因此产品命名为MAX7000，但是当时的设计很多还在大量应用异步设计。因此，电路的结构如果能导致利用率的上升，将是更加有竞争力的表现。MC的结构就是采用先组合，后时序多个时钟输入结构。Lattice是用4个宏单元一组。altera采用8个一组。而且，altera在利用率上，稍微占有上风。同时Altera当时的maxplusII的良好界面。在97，98年的两年时间里，已经奠定在中国的基础。更深层次，Altera已经看到未来市场的需求，前面说到，成功太早有时候也不是好事。在MAX7000的铺垫下，Altera已经有了进攻Xilinx的武器，可Altera一致宣称那不是FPGA,换以一个更加中性的名字---CPLD(复杂可编程逻辑器件)。那什么是Altera的武器呢。FLEX8000!他的出现是Altera奠定今天可以和xilinx平分秋色的基础。

在1996，97年，成都，西安多家做专业领域的公司和研究单位，也使用了一些Actel，Actel的产品和那个时候的Quicklogic来说，都是属于Antifuse的技术。使用他的最大好处在当时就是有防止辐射，就是说在航空产品中可以用。但是需要你认真的仿真。如果你烧入进去设计，就只能换下一片了。而且为了烧断里面的熔丝，第三方的编程器支持的也不多。但是他们有些军用温度的产品。还是在这个领域有不错的口碑。

Actel当时的策略结构是，基本上和他们现在的论调也非常一致，就是精细颗粒，所有的DFF，还是可以靠独立的门来搭建。这个在他早先的A1020等产品系列上可以看到。而且芯片上有一部分是组合逻辑区，有一部分是时序逻辑区。另外他们的软件也是多家EDA工具的组合。特别是库的一致性不是特别通用。

Quicklogic的产品是FPGA公司中最早嵌入Synplify的商家，而且他们的LE结构是基于Mux的，底层的layout也可以清晰看到路由，资源消耗。输入法和库的建立很特别。但是也存在上面的问题。产品好像是QLxxx的，我还去应聘过一次这家公司，因为他们最早采用Synplify。而且，当时我已经感觉Synplify和雷昂纳多(拼写忘记了)，以及exzampler??这个拼写也有问题。我在做FAE的时候，总是用这3个工具都综合一次，看他们哪个强。后来证明是对的。Sy是最平均的，而且简单的优点傻瓜。遗憾他也在今年被Synopsys收购了。现在Quicklogic也专注一些细分市场。

为什么要这样的结构-先组合，后时序多个时钟输入

随着科技的进步，有很多人已经忘记了很多细节，当然，我们也要遵循一个原则。难事做易，大事做细!就像朱熹说的--“问渠哪得清如许，为有源头活水来“，如果你不知道原理，碰到重要的问题，或者是设计的时候，即使成功，也是不知不觉成功，同样呢，也是不知不觉失败。

拉回话题，当你设计一个扫描电路的时候，例如，你可以采用一个时钟，输入一个计数器，然后计数器的输出，再驱动一个译码器，这样你的电路就出来了。当然事情完成了一半。功能实现了，但是，有没有更好的办法。后者换句话说。有没有适合PLD的方法。实际上用另外一个角度看，这个设计是典型的，先时序模块，才是组合电路。这个实际上，不是很和PLD本身的结构相符。还有一个问题时，随着电路速度的提高，每个译码输出之间的抖动也成为问题。就是输出的不一样的。从资源的角度来说，一个计数器，要3各单元。一个译码器，由于有8个输出，还是需要8各单元。但是如果用一个移位寄存器的方式，可以只需要8个单元。或者用状态机的方式实现，也是消耗同样的资源。可是，输出都是由于同一个时钟锁定，每个输出的延迟也比较一致。另外，当时对总线数据的译码是经常有的事情，因此，每个单元的扇入数量都是很高的。都有30个以上。因此，你设计的时候，要有两个思想：用同步设计模式，用先组合后时序的模式。后来的Xilinx的95系列更是将扇入系数扩大到90个。也是这个原因。当时PLD厂商比较的也是这些指标。

Xilinx , FPGA的发明者

Xilinx实际上成立的日期，比altera还晚了一年。但是他走的道路，从开始就注定了有今天的成就。在1996-1998,pld的高端市场，也就是FPGA市场，都是Xilinx把持，主要是xc3000/4000，当然Xilinx开创了一个新的结构，不过这种结构还是能够找到一些共同点，也是先组合，后时序。不过很重要的闪亮点是：

细颗粒查找表结构，丰富的寄存器资源，以及分段式路由布线结构，电路上电加载。当然如果这个也算是的话，那就是，他的内部甚至直接集成了三态门。这个特点是那个时代Xilinx拥趸攻击Altera,Lattice的重要工具。甚至有人说，没有这个不能实现某些电路设计的障碍。当然了，Altera, Lattice的pld也是具有三态门，不过是在输入输出管脚上。的确是不如Xilinx的来的强大和直接。有的人问了，这种结构有何好处。

电路的规模得到空前的提高。

适合做加加减减的，counter,comparter密集的设计。

无限制的更新电路。

在那个时代，衡量一个PLD很重要的指标，就是比谁的规模更大。从这个角度来看。

Xilinx无疑走到了最前面。当然，也有人说，这样的设计不可靠。这样的设计指标难以预测。还有地说这样的设计无法保密。但是市场的成功，应用需求的推动，证明这些都是杂音。

我们可以从当时xc3000的选型指南上看到。最大规模的产品，也就是今天xilinx最小的xc3s50a规模相当的东西。可是这个和当时PLD流行的规模，实在是一个飞跃。

Xilinx FPGA的架构。

Xilinx的成功，激励了Altera的新产品的推出。同时也有了革命性的突破。世界就是这么奇怪。中国古语。塞翁失马，焉知非福。实际上，如下所言，这款产品因该8282,具有282个逻辑单元的。但是在中国基本上只是在1995年有个别公司使用。

我本人经历我们开始在1997年开始大规模推广Flex10K,同年5月，位于西安的邮电部4所，是第一个采用EPF10K50的用户，当时电子杂志的广告，也有表明,Altera最先推出最大的FPGA.

实际上，这个时间就是Lattice噩梦的开始，由于设计规模的迅速攀升，规模已经是决定一个产品的关键因素。但是Lattice一直没有代表作。市场份额已经开始逐步被Xilinx,Altera蚕食。Altera的结构到底是什么革新呢?

Altera FPGA粗颗粒结构，嵌入式存储器，长联线结构.

Flex10K,他的推出，已经表明，altera的思维已经非常清晰，大规模的fpga将会是将来的王道!而且，高速的嵌入式块RAM是一个开创新的思维。当时，Xilinx凭借分布式RAM以及内置三态的结构，的确大有横扫千军的架势。但是Flex10K的出现，有效提升了Altera的FPGA产品的竞争力。在RAM需求应用不断上升的市场中。Altera迎来了市场的春天。

采用多选一，或者一对多的MUX结构，Altera推出应用指南。直到用户有效利用这种方式，实现了三态门的功能。

ESB的memory结构，是构建FIFO, DPRAM，大型查找表，都非常方便，

布线资源相对来说，以长联线资源为主。编译速度快。

Xilinx的分布式RAM尽管很灵活，但是随着RAM容量的增加，访问的速度也是递减。同时也要消耗大量的逻辑资源。这个时候，应该说Xilinx和Altera的产品已经是势均力敌。因为中国是新兴的市场。这一点表现得很明显.

规模制胜的产物

世界是运动的，粗颗粒，也是好结构!

这里又回到了我们的主题，产品的内在结构。先说细颗粒结构。当时，Xilinx的3000是以CLB为基本机构。

实际上，这个输入的个数是很有讲究的。当时，也有一种激烈的争论，就是5输入的好，还是4输入的好。在实际应用中，应该说，最小的逻辑单元是这样的规模是合理的。但是要注意一点。Xilinx和Lattice后面推出的fpga一样，两个寄存器是具有同一个时钟输入的。

粗颗粒结构，Altera还是依托自己以前在PLD的经验的积累，他的fpga有很多他的pld产品的血统。世界是基于以权制利的。因为这个时候如果已经有了Wintel的名字一样。数字电路以及CPU的发展，都和8以及8的倍数有关系。因此。这种大颗粒的结构确保：

8个逻辑单元LE为一组LAB。

每个LAB内部有独立的布线资源。确保可以实现8bit adder, shift reg, 8bit counter.

ESB,实现了存储器的资源和速度同时提高的可能。

布局布线算法比细颗粒机构的算法简单。

采用了非对称的结构，实现速度需求和控制需求的折衷。

Cyclone，Stratix，Vertex

Cyclone 的出现和FPGA的市场定位和产品定位

好的技术是需要，但是有效的市场定位和销售策略也要跟上。在2002年左右，为了更好服务各种不同市场的需要。而且当时的DSP市场仍然不太明朗，有的观望，也有大力投入。而且也有两种不同的策略。

一种是同一个器件平台，但是不同的应用区隔，例如Vertex和Spartan,有一段时间，他们可能是同一个产品平台，只是Spartan的东西就是Vertex屏蔽了一部分高级的性能，对于不使用的地方，也不需要检测，同时依靠同一个平台来维持成本优势。

另外一种，就是Altera的策略，完全依赖客人市场的需要，简化不需要的特性，推出简化的结构，面向主要的逻辑集成和LVDS信号链集成。推出Cyclone，市场反响非常强力，是Altera有史以来，市场响应最快的产品。