数字系统设计原理和方法

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高级数字系统设计

高级数字系统设计

高级数字系统设计数字系统已经成为现代社会中不可或缺的一部分,广泛应用于通信、计算机、工业自动化等领域。

随着科技的不断发展,人们对数字系统的要求也变得越来越高。

高级数字系统设计是为了满足这一需求而产生的,它在传统数字系统设计的基础上进行了进一步的优化和改进,以提高系统性能、降低功耗和增强可重构性。

1. 引言高级数字系统设计在数字系统领域具有重要的地位和作用。

本文将介绍高级数字系统设计的基本概念、原理和应用。

2. 高级数字系统设计的基本概念2.1 可编程逻辑器件(PLD)和可编程门阵列(GAL)可编程逻辑器件和可编程门阵列是高级数字系统设计中常用的硬件实现工具。

它们可以根据用户的要求进行编程,实现不同的逻辑功能。

2.2 时序分析与优化时序分析与优化是高级数字系统设计中的关键技术之一。

通过对时序进行准确的分析和优化,可以提高系统的稳定性和性能。

2.3 高级综合技术高级综合技术是将高级程序设计语言(如C、C++等)转化为硬件逻辑的过程。

它能够提高设计效率,缩短设计周期。

3. 高级数字系统设计的原理3.1 并行性与流水线技术并行性和流水线技术是高级数字系统设计中的重要原理。

通过合理地设计并行结构和流水线,可以提高系统的运行速度和效率。

3.2 分布式处理与多核技术分布式处理与多核技术是高级数字系统设计中常用的原理。

它们可以将任务分配给多个处理核心并行处理,提高系统的处理能力和性能。

3.3 管脚分组与布线规划管脚分组和布线规划是高级数字系统设计中的重要原理。

通过合理地进行管脚分组和布线规划,可以减少信号干扰,提高系统的可靠性和可重构性。

4. 高级数字系统设计的应用4.1 通信系统高级数字系统设计在通信系统中具有广泛的应用。

通过合理地设计和优化,可以提高通信系统的传输速率和数据处理能力。

4.2 计算机系统高级数字系统设计在计算机系统中也具有重要的应用。

它可以提高计算机的运算速度和存储容量,提升系统的整体性能。

4.3 工业自动化高级数字系统设计在工业自动化领域的应用也逐渐增多。

现代数字系统设计方法和流程

现代数字系统设计方法和流程

现代数字系统的设计方法专业:电力电子与电力传动学号:212012*********姓名:刘滔摘要随着微电子技术和计算机技术的不断发展,在涉及通信、国防、航天、工业自动化、仪器仪表等领域的电子系统设计工作中,EDA技术的含量正以惊人的速度上升,它已成为当今电子技术发展的前沿之一。

现代社会电子产品更新换代的速度越来越快,传统的自下而上(Bottom-Up)的设计方法越来越适应不了这种挑战。

随着可编程逻辑器件集成规模的迅速扩大,自身功能的不断完善,以及计算机辅助设计技术的不断发展,在现代电子系统设计领域,EDA(Electronic Design Automation)技术便引起了人们的极大关注。

设计者的工作仅限于利用软件的方式来完成对系统硬件功能的描述。

相应的FPGA/CPLD器件,在EDA工具的帮助下,就可以得到最后的设计结果。

本文首先阐述了EDA技术的基本概念、发展过程和基本特征,最后着重分析EDA技术在两个不同层次上的工作流程,即电路级设计和系统级设计,引入了一种自顶向下的高层次电子设计方法。

关键词:设计方法电子系统设计EDA一、现代数字系统设计的概述EDA(Electronic Design Automation)工程是现代电子信息工程领域中一门发展迅速的新技术。

EDA的定义有广义和狭义之分,广义定义EDA包括半导体工艺设计自动化、可编程器件设计自动化、电子系统设计自动化、印制电路板设计自动化、仿真与测试故障诊断自动化等。

狭义定义的EDA就是电子设计自动化。

EDA技术主要有四个方面:1、可编程逻辑器件,即应用EDA技术完成电子系统设计的载体;2、硬件描述语言(VHDL 或者 Verilog)。

它用来描述系统的结构和功能,是EDA的主要表达手段;3、配套的软件工具。

它用来完成电子系统的智能化设计;4、实验开发系统。

在整个EDA设计电子系统的过程中,实验开发系统是实现可编程器件下载和验证的工具,现代EDA技术是20世纪90年代初从计算机辅助设计、辅助制造和辅助测试等工程概念发展而来的。

数字系统设计知识点

数字系统设计知识点

数字系统设计知识点数字系统设计是计算机工程和电子工程中的重要内容,涵盖了多种关键概念和技术。

本文将介绍数字系统设计的一些基础知识点,包括数字系统的基本原理、数字电路的构建和设计、以及数字系统中常见的编码和调制技术。

一、数字系统的基本原理数字系统是由数字电路组成的,其中的信息以二进制形式表示。

数字电路由数字逻辑门组成,可以执行布尔运算。

数字系统的基本原理包括以下几个关键概念:1. 二进制系统:数字系统采用二进制表示,即使用0和1来表示逻辑状态。

二进制是一种计数系统,它只使用两个数字来表示所有的值。

2. 布尔代数:布尔代数是描述和操作逻辑关系的一种数学工具。

它基于三个基本运算:与、或和非。

布尔代数可以用于设计和分析数字逻辑电路。

3. 逻辑门:逻辑门是数字电路的基本构件,用于执行逻辑运算。

常见的逻辑门包括与门、或门、非门等。

通过组合逻辑门可以构建复杂的数字电路。

二、数字电路的构建和设计数字电路是数字系统的基础,它由逻辑门和触发器等元件组成。

数字电路的构建和设计需要考虑以下几个因素:1. 逻辑门的组合与实现:通过组合不同类型的逻辑门可以实现多种逻辑功能。

例如,与门和或门的组合可以实现任意布尔函数。

设计者需要根据具体需求选择适当的逻辑门组合。

2. 状态机设计:状态机是一种具有离散状态的数字电路。

它由状态寄存器、组合逻辑和输出逻辑组成。

设计者需要根据系统需求定义状态和转移条件,然后选择适当的触发器和逻辑门实现状态机。

3. 模时序系统设计:模时序系统是一种具有时序行为的数字电路。

它由触发器和组合逻辑构成,可以实现时序逻辑功能。

设计者需要考虑时钟信号、触发器类型和时序逻辑的实现方式。

三、编码和调制技术在数字系统设计中,编码和调制是常用的技术,用于将信息从一种形式转换成另一种形式。

1. 数字编码:数字编码用于将数字或字符等信息转换为二进制形式。

常见的数字编码包括BCD码、格雷码和ASCII码等。

不同的编码方式可以适用于不同的应用场景。

数字控制系统的基本原理与设计方法

数字控制系统的基本原理与设计方法

数字控制系统的基本原理与设计方法数字控制系统(Digital Control System)是一种通过数字处理器来实现系统控制的技术。

它可以对运动、压力、温度等物理量进行精确的测量和控制,具有精准性高、稳定性好、适应性强等优点。

本文将介绍数字控制系统的基本原理和设计方法。

一、数字控制系统的基本原理数字控制系统的基本原理是将输入量(Input)通过传感器采集后,经过模数转换器(A/D Converter)转换为数字量,然后经过数字信号处理器(DSP)进行运算和控制处理,最后通过数模转换器(D/A Converter)将控制信号转换为模拟量输出,从而实现对被控物理量的精确控制。

在数字控制系统中,传感器起到了关键作用。

传感器能够将被测量的物理量转换为电信号,例如压力传感器、温度传感器等。

这些传感器的输出信号需要经过模数转换器将其转换为数字信号,以便数字信号处理器进行处理。

数字信号处理器是数字控制系统的核心部件,它能够对输入信号进行滤波、运算、控制等处理。

通过数字信号处理器,可以实现对控制系统的闭环控制,将被控对象的实际输出与期望输出进行比较,进而调整控制信号,使系统输出达到预期。

二、数字控制系统的设计方法1. 系统建模与参数估计在设计数字控制系统之前,需要对被控对象进行建模和参数估计。

通过数学模型可以描述被控对象的动态特性,参数估计可以获得模型参数的数值。

常用的建模方法有传递函数、状态空间法等。

2. 控制器设计控制器是数字控制系统的关键组成部分,它的设计直接影响控制系统的性能。

常用的控制器设计方法有比例-积分-微分(PID)控制器、模糊逻辑控制器、自适应控制器等。

在设计控制器时,需要考虑到系统的稳定性、快速响应、抗干扰能力等因素。

3. 信号采样与重构在数字控制系统中,输入信号需要进行采样和重构。

采样是指将连续时间信号转换为离散时间信号,常用的采样方法有脉冲采样、均匀采样等。

重构是指通过采样得到的离散时间信号,再恢复为连续时间信号。

VerilogHDL数字系统设计——原理、实例及仿真作者康磊第8-13章第11章

VerilogHDL数字系统设计——原理、实例及仿真作者康磊第8-13章第11章

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冯· 诺依曼结构的处理器使用同一个存储器,经由同一个 总线传输,具有以下特点: (1) 结构上由运算器、控制器、存储器和输入/输出设备 组成。 (2) 存储器是按地址访问的,每个地址是唯一的。 (3) 指令和数据都是以二进制形式存储的。 (4) 指令按顺序执行,即一般按照指令在存储器存放的顺 序执行,程序的分支由转移指令实现。
第11章 模 型 机 设 计
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第11章 模 型 机 设 计
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11.1 模 型 机 概 述
第11章 模 型 机 设 计
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第11章 模 型 机 设 计
11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 模型机概述 RISC CPU简介 RISC CPU指令系统设计 RISC CPU的数据通路图 指令流程设计 CPU内部各功能模块的设计与实现 RISC CPU设计 模型机的组成
(5) 以运算器为中心,在输入输出设备与存储器之间的数
据传送都途经运算器。运算器、存储器、输入输出设备的操 作以及它们之间的联系都由控制器集中控制。
第11章 模 型 机 设 计
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哈佛结构使用两个独立的存储器模块,分别存储指令和 数据,并具有一条独立的地址总线和一条独立的数据总线, 具有以下特点: (1) 每个存储模块都不允许指令和数据并存,以便实现并 行处理。
CPU是计算机系统中最为重要的组成部分,它在计算机
系统中负责信息的处理和控制,因而被人们称为计算机的大 脑。CPU和外围设备构成计算机。模型机是一个简单的计算 机硬件系统,可以实现计算机的基本功能。 计算机的体系结构可分为两种类型:冯· 诺依曼结构和哈 佛结构。大多数CPU采用冯· 诺依曼结构。

数字系统设计.pdf

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PLD设计——CPLD与FPGA的区别
规模
CPLD规模一般比FPGA小,最多512个宏单元;FPGA则可以实现单片 1000万门。
速度
CPLD的速度可以比FPGA更高,其连线的延时固定,更适合做高速的应 用;FPGA的互连线为多段,延时不确定。
逻辑特点 CPLD适合做逻辑密集型的应用,FPGA适合做数据密集型的应用。 编程方式
ALTERA
XILINX
FPGA/CPLD生产商
ispLSI系列:1K、2K、3K、5K、8K ispLSI1016 、ispLSI2032、 ispLSI1032E、ispLSI3256A MACH系列 ispPAC系列:
LATTICE VANTIS (AMD)
CPLD
其他PLD公司: ACTEL公司: ACT1/2/3、40MX ATMEL公司:ATF1500AS系列、40MX CYPRESS公司 QUIKLOGIC公司
数字系统分类
数字系统本身实现的方法很多,一般来说,可以分为 以下几种方法: PLD(可编程逻辑器件) MCU(单片机) DSP(数字信号处理器) Embedded System(嵌入式系统) 以上几种设计方法的应用场合不同,设计方法也大 不相同,应该根据不同的应用场合、成本和设计的 难度来决定使用合适的设计方法。
SO MUCH IC!
FPGA CPLD
PLD设计——PLD设计的流程
设计输入
原理图 硬件设计语言
功能仿真
验证逻辑是否正确
综合
将原理图或者硬件描述语言翻译为网表。
时序仿真
加载器件延时文件后的仿真,验证在器 件上实现后的实际性能。
不同数字系统的应用场合(4)
Embedded System(嵌入式系统)

《Verilog HDL数字系统设计——原理、实例及仿真》课件第8章

《Verilog HDL数字系统设计——原理、实例及仿真》课件第8章

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第8章 常用组合逻辑电路设计
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【代码8.1】 实现普通编码器的Verilog HDL描述。
其功能仿真结果见图8.2。
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第8章 常用组合逻辑电路设计
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【代码8.4】 二—十进制译码器模块。
其功能仿真结果见图8.7。
第8章 常用组合逻辑电路设计
第8章 常用组合逻辑电路设计

数字系统

数字系统
做大大简化了设计工作,提高了效率。因此,采用EDA技术设计数字
系统的方法得到了越来越广泛的应用。
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.4.2 数字系统的描述方法
算法状态机图(ASM图)

ASM图(Algorithmic State Machine Chart)是硬件算
法的符号表示方法,可以方便地表示数字系统的时序操
作。ASM图 是一种时钟驱动 的流程图。ASM图不仅可 以用来描述控制器的控制过程(即控制器的状态转换、 转换条件以及控制器的输出等),还指明了在被控制的 数据处理器中应该实现的操作。在这个意义上,ASM图
数字系统
1
.1 数字系统的基本概念
所谓数字系统,系具有存储、 传输、处理数字信息功能的
逻辑系统
数据处理单元 存储部件 输入 部件 输出 部件
逻辑子系统的集合物。
数字系统的设计,涉及机、光、
电、化学、经济学等学科各
类工程技术问题,但从本质
上看,其核心问题仍是逻辑 设计问题。
处理部件
控制单元
数字系统结构框图
长,人工设计数字系统十分困难,必须依靠EDA技术。用EDA技术
设计数字系统的实质是一种自顶向下的分层设计方法。在每一层上, 都有描述、划分、综合和验证 四种类型的工作。
描述是电路与系统设计的输入方法,它可以采用图形输入、硬件
描述语言输入或二者混合使用的方法输入;也可以采用波形图输入法。
整个设计过程只有该部分由设计者完成。 划分、综合和验证 则采用EDA软件平台自动完成,这样
注意:条件输出框不是控制器的一个状态。
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2. ASM 块
一个 ASM块表示一个时钟周期内的系统状态。每个 ASM 块必定包含一个状态框且只允许包含一个状态框,与此 状态框相连的若干个判断框和条件输出框也属于该 ASM 块.
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论述数字系统设计的原理和方法一、数字系统原理数字系统,即有一些逻辑单元构成的具备数字运算和逻辑处理的一类算术系统,完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路。

用数字信号完成对数字量进行算术运算和逻辑运算的电路称为数字电路,或数字系统。

由于它具有逻辑运算和逻辑处理功能,所以又称数字逻辑电路。

数字电路一般分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。

组合逻辑电路简称组合电路,它由最基本的的逻辑门电路组合而成。

特点是:输出值只与当时的输入值有关,即输出惟一地由当时的输入值决定。

电路没有记忆功能,输出状态随着输入状态的变化而变化,类似于电阻性电路,如加法器、译码器、编码器、数据选择器等都属于此类。

时序逻辑电路简称时序电路,它是由最基本的逻辑门电路加上反馈逻辑回路(输出到输入)或器件组合而成的电路,与组合电路最本质的区别在于时序电路具有记忆功能。

时序电路的特点是:输出不仅取决于当时的输入值,而且还与电路过去的状态有关。

它类似于含储能元件的电感或电容的电路,如触发器、锁存器、计数器、移位寄存器、储存器等电路都是时序电路的典型器件。

数字电路是以二进制逻辑代数为数学基础,使用二进制数字信号,既能进行算术运算又能方便地进行逻辑运算(与、或、非、判断、比较、处理等),因此极其适合于运算、比较、存储、传输、控制、决策等应用。

以二进制作为基础的数字逻辑电路,简单可靠,准确性高。

集成度高,体积小,功耗低是数字电路突出的优点之一。

电路的设计、维修、维护灵活方便,随着集成电路技术的高速发展,数字逻辑电路的集成度越来越高,集成电路块的功能随着小规模集成电路(SSI)、中规模集成电路(MSI)、大规模集成电路(LSI)、超大规模集成电路(VLSI)的发展也从元件级、器件级、部件级、板卡级上升到系统级。

电路的设计组成只需采用一些标准的集成电路块单元连接而成。

对于非标准的特殊电路还可以使用可编程序逻辑阵列电路,通过编程的方法实现任意的逻辑功能。

因为数字系统的稳定,易于实现等特点,因此数字系统设计广泛的应用于电视、雷达、通信、电子计算机、自动控制、航天等科学技术各个领域。

二、实现方法近年来、,可编程逻辑器件随着微电子制造工艺的发展取得了长足的进步,其代表作之一的现场可编程逻辑阵列(FPGA)在电子、通信等领域已经得到了广泛应用,成为数字系统设计领域中的要器件之一。

FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

以硬件描述语言(Verilog或VHDL)所完成的电路设计,可以经过简单的综合与布局,快速的烧录至 FPGA 上进行测试,是现代 IC设计验证的技术主流。

这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。

在大多数的FPGA里面,这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器(Flip-flop)或者其他更加完整的记忆块。

系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来,就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。

一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变,所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。

FPGA一般来说比ASIC(专用集成电路)的速度要慢,实现同样的功能比ASIC电路面积要大。

但是他们也有很多的优点比如可以快速成品,可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。

厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。

因为这些芯片有比较差的可编辑能力,所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的,然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。

另外一种方法是用CPLD(ComplexProgrammabl e Logic Device,复杂可编程逻辑器件)。

FPGA的开发相对于传统PC、单片机的开发有很大不同。

FPGA以并行运算为主,以硬件描述语言来实现;相比于PC或单片机(无论是冯诺依曼结构还是哈佛结构)的顺序操作有很大区别,也造成了FPGA开发入门较难。

目前国内有专业的FPGA外协开发厂家,如[北京中科鼎桥ZKDQ-TECH]等。

FPGA开发需要从顶层设计、模块分层、逻辑实现、软硬件调试等多方面着手。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个概念,内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输入输出模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。

现场可编程门阵列(FPGA)是可编程器件,与传统逻辑电路和门阵列(如PAL,GAL及CPLD器件)相比,FPGA具有不同的结构。

FPGA利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑,每个查找表连接到一个D触发器的输入端,触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O,由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块,这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。

FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的,存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式,并最终决定了FPGA所能实现的功能,FPGA允许无限次的编程。

使用FPGA设计时需要注意的以下三个方面:1、面积与速度的互换。

这里的面积指的是FPGA的芯片资源,包括逻辑资源和I/O资源等;这里的速度指的是FPGA工作的最高频率(和DSP或者ARM不同,FPGA设计的工作频率是不固定的,而是和设计本身的延迟紧密相连)。

在实际设计中,使用最小的面积设计出最高的速度是每一个开发者追求的目标,但是“鱼和熊掌不可兼得”,取舍之间展示了一个开发者的智慧。

ﻫ速度换面积ﻫ速度优势可以换取面积的节约。

面积越小,就意味着可以用更低的成本来实现产品的功能。

速度换面积的原则在一些较复杂的算法设计中常常会用到。

在这些算法设计中,流水线设计常常是必须用到的技术。

在流水线的设计中,这些被重复使用但是使用次数不同的模块将会占用大量的FPGA资源。

对FPGA的设计技术进行改造,将被重复使用的算法模块提炼出最小的复用单元,并利用这个最小的高速代替原设计中被重复使用但次数不同的模块。

当然,在改造的过程中必然会增加一些其他的资源来实现这个代替的过程。

但是只要速度具有优势,那么增加的这部分逻辑依然能够实现降低面积提高速度的目的。

可以看到,速度换面积的关键是高速基本单元的复用。

ﻫ面积换速度ﻫ在这种方法中面积的复制可以换取速度的提高。

支持的速度越高,就意味着可以实现更高的产品性能。

一些注重产品性能的应用领域可以采用并行处理技术,实现面积换速度。

2、硬件可实现原则。

FPGA设计通常会使用HDL语言,比如Verilog HDL或者VHDL。

当采用HDL语言来描述一个硬件电路功能的时候,一定要确保代码描述的电路是硬件可实现的。

ﻫVerilogHDL语言的语法与C语言很相似,但是它们之间有着本质的区别。

C语言是基于过程的高级语言,编译后可以在CPU上运行。

而VerilogHDL语言描述的本身就是硬件结构,编译后是硬件电路。

因此,有些语句在C语言的环境中应用是没有问题的,但是在HDL语言环境下就会导致结果不正确或者不理想。

如:for(i=0;i<16;i++)ﻫ DoSomething();在C语言中运行没有任何问题,但是在Verilog HDL的环境下编译就会导致综合后的资源严重浪费。

3、同步设计原则。

同步电路和异步电路是FPGA设计的两种基本电路结构形式。

异步电路的最大缺点是会产生毛刺。

同步设计的核心电路是由各种触发器构成的。

这类电路的任何输出都是在某个时钟的边沿驱动触发器产生的。

所以,同步设计可以很好地避免毛刺的产生。

不管你是一名逻辑设计师、硬件工程师或系统工程师,甚或拥有所有这些头衔,只要你在任何一种高速和多协议的复杂系统中使用了FPGA,你就很可能需要努力解决好器件配置、电源管理、IP集成、信号完整性和其他的一些关键设计问题。

不过,你不必独自面对这些挑战,因为在当前业内领先的FPGA公司里工作的应用工程师每天都会面对这些问题,而且他们已经提出了一些将令你的设计工作变得更轻松的设计指导原则和解决方案。

时至今日,FPGA市场的主要业者仅剩数家,包括Altera、Xilinx(赛灵思,过去称为:智霖科技)、Actel、Atmel、Lattice、QuickLogic等,不过2007年11月QuickLogic也确定淡出FPGA市场,并转进发展CSSP(CustomerSpecificStandardProduct)。

但FPGA领域依然有新兴业者出现,例如AchronixSemiconductor、MathStar等。

且除了单纯数字逻辑性质的可程序逻辑装置外,混讯、模拟性质的可程序逻辑装置也展露头角,例如CypressSemiconductor的PSoC(ProgrammableSystem-on-Chip)即具有可组态性的混讯电路,或如Actel公司也提出可程序化的混讯芯片:Fusion,或者也有业者提出所谓的现场可程序化模拟数组(FieldProgrammableAnalogArray;FPAA)等,相信这些都能为可程序化芯片带来更多的发展动能。

[4]FPGA(现场可编程逻辑器件)产品的应用领域已经从原来的通信扩展到消费电子、汽车电子、工业控制、测试测量等广泛的领域。

而应用的变化也使FPGA产品近几年的演进趋势越来越明显:一方面,FPGA供应商致力于采用当前最先进的工艺来提升产品的性能,降低产品的成本;另一方面,越来越多的通用IP(知识产权)或客户定制IP被引入FPGA中,以满足客户产品快速上市的要求。

此外,FPGA企业都在大力降低产品的功耗,满足业界越来越苛刻的低功耗需求。

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