非易失可重复编程FPGA解决方案的应用

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。

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1： 三种不同类型的FPGA

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

LatticeXP2器件

Lattice与富士通（Fujitsu）合作开发了90nm嵌入式闪存工艺的 LatticeXP2系列，这种工艺使LatticeXP2器件的成本减少了50%。该器件把成功用于LatticeECP2 SRAM的功能块和Flash单元组合在一起，称之为flexiFLASH。

1 LatticeXP2结构－功能块

LatticeXP2器件的核心含有能够实现逻辑的可编程功能单元（PFU），以及占25％逻辑块的分布式存储器。用4输入的查找表和寄存器对来实现逻辑，对于FPGA工业、能够被系统设计者充分理解以及逻辑综合工具提供者来说，这是一个事实上的标准。分布式存储器为设计者提供了有效的方法实现便笺式存储器。这个系列提供5K到40K LUT。

嵌入式RAM（EBR）的sysMEM行提供166K -885Kb的18kb块的双口存储器。器件还有乘、加、减和累加功能的sysDSP块，用来实现通用的DSP功能，例如FIR滤波器、FFT和复杂算法。sysDSP块提供12-32的18x18乘法器。

器件的I/O引脚数从86到540，能与各种I/O标准互连，包括LVCMOS、PCI、LVTTL、LVDS和SSTL， HSTL。此外与附加的外部电阻相配合可以模仿LVPECL、BLVDS 和RSDS接口标准。校准DQS延时块的DLL、DDR寄存器和时钟传送电路能实现达400Mbps的DDR和DDR2存储器接口。还可以与器件一起实现750Mbps的普通DDR接口。

器件还提供多达4个PLL，用于时钟综合与对齐。片上振荡器提供低精度的时钟源，适用于许多辅助功能，例如监视时钟和键盘扫描逻辑。时钟的分布为8个全局时钟、8个区域时钟，或者2个高速边沿时钟。图的左边和右边为Flash存储器块，用于器件的配置。

器件工作于1.2伏的内部电压并有各种可供选择的封装。图4为器件的整个结构，图5为系列中的各个成员的详情。下面将详述非易失特性的运作。

图4 LatticeXP2结构

图5 flexiFLASH结构

FlexiFLASH详情

LatticeXP2器件在结构中组合了Flash 和SRAM，称为flexiFLASH。器件逻辑配置和嵌入式RAM块数据存储在SRAM单元。上电时或者根据用户命令，源于片上Flash存储器的块以并行形式载入SRAM。这种迅速的传送方式使器件具有瞬时的特性，片上的Flash存储器导致了单片解决方案。通过JTAG 或者SPI端口可以对Flash存储器进行写操作，如图5所示。

FlashBAK存储器

为了满足存储大块的数据，LatticeXP2器件提供称为FlashBAK存储器的创新功能。如前所述，上电时从片上Flash存储器装载至EBR。EBR能以350MHz的速度进行读或写。可以根据要求在FPGA内切换信号，根据当前EBR的内容，重写Flash是可能的。这个过程大约为1秒的时间。用这个方法，用户可获得高性能和无限次的读和写，这是非易失Flash存储器与SRAM相结合的结果。这个器件提供166K 和 885Kbit的 FlashBAK存储器。

图6 非易失FlashBAK存储

串行TAG存储器

为了提供小量可串行访问的存储器，每个器件都有0.6K至3.4Kbit的串行TAG存储器。如图7所示，可以通过器件的JTAG接口或者FPGA逻辑访问这个存储器。这个存储器位于器件安全结构的外面，可以独立地访问器件安全设置。

图7 串行TAG存储器

器件锁提供设计安全

如前所述，许多设计者都要确保设计安全地锁定在FPGA之内。用物理的方法来检查FPGA 的SRAM单元几乎是不可能的，因为SRAM单元掩埋在多层金属下。防止通过JTAG 或者SPI端口查询器件配置的保密位进一步完善了安全性。

为了防止未授权的篡改，器件有64位的码，一旦设置后，在擦除或者重写Flash时需要验证。对于客户要求更加安全的解决方案，还有一次性编程（OTP）的模式。一旦器件处于这种模式，就不能擦除或者对器件再编程。

全面的现场更新

如前所述，实现现场更新的设计者要求最大的设备正常运行时间、很好的可靠性和高的安全性。为了满足这些要求，LatticeXP2器件提供TransFR I/O、双引导和128位AES解密。

针对最大正常工作时间的TransFR I/O

在系统配置期间，大多数FPGA的I/O均为三态。这种缺少控制的状态通常迫使循环上电以便更新FPGA的配置。如同其他的Lattice FPGA，LatticeXP2器件具有TransFR I/O，在器件配置期间能冻结I/O的状态。这样现场更新的器件就有最小的中断和停机时间，系统设计者能够满足高系统正常运行时间和现场更新逻辑的双重要求。图8展示了TransFR I/O更新的4个步骤。因为新的配置可以在后台载入LatticeXP2的片上Flash，新的配置载入SRAM是很快的。锁定I/O，施加新的配置，再释放I/O的时间小于2毫秒。

图8 TransFR I/O更新的4个步骤

针对可靠性的双引导方案

存储的FPGA配置被更新时，存在着电源或者通信失败的风险，会导致不可靠的配置和系统停止工作。如果发生了这种情况，拜访技术员和纠正差错都是不小的开支。为了防止发生此类问题，LatticeXP2器件可以使用外部的SPI存储器来实现双引导方案。

如图9所示，上电时LatticeXP2试图从片上Flash载入SRAM配置位。如果在这个过程中检测到错误，于是FPGA从外部的SPI存储器读取备份或者重要的配置。用这种方法运行系统，能够可靠地进行更新而不管电源或者通信故障。

图9 高可靠现场更新的双引导方法

用于设计安全的128位加密

LatticeXP2器件能用可选的128位AES编程数据加密。器件收到加密数据时，用片上的解密引擎进行解密，解密引擎是用户定义的用Flash存储器存储在片上的密钥。基本的操作如图10所示。这种运作模式使得在现场更新期间敏感的设计数据得到了保护。

本文小结

设计者选择非易失器件的主要原因仍然未变，这些原因是小的尺寸、瞬时以及高可靠性。然而对非易失数据存储和全面的现场更新解决方案的新要求正在兴起。所有这些新要求都必须满足，而且，相对于传统的SRAM解决方案，非易失解决方案的额外费用是最小的。

如今有两种方法提供非易失FPGA：混合的和单片的。混合方法主要是解决小尺寸的要求。而真正的单片非易失方法满足了小尺寸、瞬时和高安全性的要求。

采用90纳米嵌入式Flash工艺，LatticeXP2 FPGA满足了选择非易失器件的主要和新兴的原因，同时还降低了成本。

表1 LatticeXP2 FPGA 系列

作者： 莱迪思半导体公司