FPGA规划者对非易失可重复编程FPGA处理计划的喜爱仍在连续，这种计划所需的相关额定费用并不太大 。规划人员对其的喜爱源于他们喜爱从一种产品中获取多种才能，而迄今为止，只要非易失性处理计划可以满意他们的要求，由于它可以供给：最小的电路板面积和最简略的体系集成、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产品的经历基础上，莱迪思半导体（Lattice Semiconductor）公司还认识到需求灵敏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处理计划。
非易失FPGA的几种计划
现在商场上有三种类型的FPGA：第一种是传统的SRAM FPGA，体系上电时需求一个外部的非易失存储器来装备FPGA；第二种是混合办法，把SRAM FPGA和非易失存储器组合在单个封装中；第三种常称为真实的单片非易失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，混合办法比SRAM办法好一些，而真实的非易失办法则是最佳计划，具有小尺度、高安全性和上电时的瞬时运作。
非易失可重复编程FPGA的运用
在比如通讯、消费、核算、军事和轿车等广泛且多样的终端商场中，非易失可重复编程FPGA被用来完结体系逻辑。非易失FPGA特别招引那些要求削减部件数和占位面积，并敏捷取得逻辑或高安全性的运用。
1 小尺度运用
这儿所说的小尺度运用包含：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 需求一个引导存储器，在上电时载入SRAM装备。有时分装备载入经过电路板上的微处理器来完结，而别的一些时分运用中需求一个独立的引导存储器。这两个处理计划都不抱负。从体系微处理器进行引导引入了额定的硬件和软件间的相互依赖，还要求微处理器在FPGA装备前就运转，然后阻止了其在体系中的中心功用。运用独立的引导存储器则增加了电路板的面积、元件，及相关本钱。经过整合片上的引导存储器，非易失FPGA供给了一个可选计划，也是愈加完美的处理计划。
2 要求快速取得逻辑的运用
片上非易失存储器能使器材在上电1毫秒内准备好运作，与SRAM和混合FPGA比较，SRAM和混合FPGA的装备需求数十或几百毫秒。图2为“唤醒时刻”的不同。在许多常见运用中，真实的非易失FPGA所带来的快速取得逻辑的功用正是人们期望得到的特性。这些运用包含：即插即用总线接口（PCI， PCI Express， CAN）、上电复位操控、处理器总线译码、FPGA加载器、ASIC初始化以及运用作业循环的低功耗规划等。
图1： 三种不同类型的FPGA
图2 具有非易失FPGA的敏捷取得逻辑的才能
3 要求规划安全性的运用
在当今杂乱的体系中，越来越多的FPGA被用来替代传统上用ASIC和微处理器完结的功用。十年前，FPGA仅仅体系的外围，而现在它是心脏。现在的FPGA工艺已使门数量到达几百万，FPGA成为不合法盗版者的方针。FPGA规划者逐步开端重视克隆、反向工程、过量出产、盗版服务等问题。
体系规划者运用的大多数SRAM FPGA需求在体系每次上电时由引导器材进行装备。引导器材和FPGA之间的衔接存在很大的危险，由于装备数据露出在外，易于在上电时被盗取。在封装中嵌入非易失存储器的混合办法对这种状况的改善有限。但是，相关的东西可以革除封装资料并取得裸片的互连。真实的单片非易失器材没有这样的互联，因而可以供给绝佳的规划安全性。
除了规划被盗取或仿制，在许多体系中很重要的是保证FPGA没有被篡改。有这些要求的运用包含：信用卡读卡器、主动出纳机、武器体系以及游戏体系。
4 非易失存储运用
由于非易失FPGA在密度和功用方面的水平持续增强，许多规划者要在规划中整合非易失存储器。这些需求分红两种。
第一种是能整合小的独立的EEPROM存储器，在许多体系中存储数据，例如电子ID码、版别码、日期打印、校准设置和财物ID。这种类型的存储器不是常常经过串行接口访问的。
第二种类型是可以整合大的存储块，典型的运用为存储数据，例如过错码、上电自测验、数据查找表和微处理器码。对数据的写操作不是常常的，读数据则是常常的，读操作的速度影响整个体系的功用。
5 现场更新
当设备用于现场时，供给FPGA装备更新的才能就愈发重要，如图3所示。这种才能为设备供应者供给了竞赛优势，能对规范的改动、新的服务以及排除毛病作出敏捷回应。
图3 在现场更新逻辑
LatticeXP2器材
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器材的本钱削减了50%。该器材把成功用于LatTIceECP2 SRAM的功用块和Flash单元组合在一同，称之为flexiFLASH。
1 LatticeXP2结构－功用块
LatticeXP2器材的中心含有可以完结逻辑的可编程功用单元（PFU），以及占25％逻辑块的散布式存储器。用4输入的查找表和寄存器对来完结逻辑，关于FPGA工业、可以被体系规划者充沛了解以及逻辑归纳东西供给者来说，这是一个事实上的规范。散布式存储器为规划者供给了有用的办法完结便笺式存储器。这个系列供给5K到40K LUT。
嵌入式RAM（EBR）的sysMEM行供给166K -885Kb的18kb块的双口存储器。器材还有乘、加、减和累加功用的sysDSP块，用来完结通用的DSP功用，例如FIR滤波器、FFT和杂乱算法。sysDSP块供给12-32的18×18乘法器。
器材的I/O引脚数从86到540，能与各种I/O规范互连，包含LVCMOS、PCI、LVTTL、LVDS和SSTL， HSTL。此外与附加的外部电阻相配合可以仿照LVPECL、BLVDS 和RSDS接口规范。校准DQS延时块的DLL、DDR寄存器和时钟传送电路能完结达400Mbps的DDR和DDR2存储器接口。还可以与器材一同完结750Mbps的一般DDR接口。
器材还供给多达4个PLL，用于时钟归纳与对齐。片上振荡器供给低精度的时钟源，适用于许多辅佐功用，例如监督时钟和键盘扫描逻辑。时钟的散布为8个大局时钟、8个区域时钟，或许2个高速边缘时钟。图的左面和右边为Flash存储器块，用于器材的装备。
器材作业于1.2伏的内部电压并有各种可供挑选的封装。图4为器材的整个结构，图5为系列中的各个成员的概况。下面将胪陈非易失特性的运作。
图4 LatticeXP2结构
图5 flexiFLASH结构
FlexiFLASH概况
LatticeXP2器材在结构中组合了Flash 和SRAM，称为flexiFLASH。器材逻辑装备和嵌入式RAM块数据存储在SRAM单元。上电时或许依据用户指令，源于片上Flash存储器的块以并行办法载入SRAM。这种敏捷的传送办法使器材具有瞬时的特性，片上的Flash存储器导致了单片处理计划。经过JTAG 或许SPI端口可以对Flash存储器进行写操作，如图5所示。
FlashBAK存储器
为了满意存储大块的数据，LatticeXP2器材供给称为FlashBAK存储器的立异功用。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。可以依据要求在FPGA内切换信号，依据当时EBR的内容，重写Flash是或许的。这个进程大约为1秒的时刻。用这个办法，用户可取得高功用和无限次的读和写，这对错易失Flash存储器与SRAM相结合的成果。这个器材供给166K 和 885Kbit的 FlashBAK存储器。
图6 非易失FlashBAK存储
串行TAG存储器
为了供给小量可串行访问的存储器，每个器材都有0.6K至3.4Kbit的串行TAG存储器。如图7所示，可以经过器材的JTAG接口或许FPGA逻辑访问这个存储器。这个存储器坐落器材安全结构的外面，可以独登时访问器材安全设置。
图7 串行TAG存储器
器材锁供给规划安全
如前所述，许多规划者都要保证规划安全地确定在FPGA之内。用物理的办法来查看FPGA 的SRAM单元几乎是不或许的，由于SRAM单元掩埋在多层金属下。避免经过JTAG 或许SPI端口查询器材装备的保密位进一步完善了安全性。
为了避免未授权的篡改，器材有64位的码，一旦设置后，在擦除或许重写Flash时需求验证。关于客户要求愈加安全的处理计划，还有一次性编程（OTP）的形式。一旦器材处于这种形式，就不能擦除或许对器材再编程。
全面的现场更新
如前所述，完结现场更新的规划者要求最大的设备正常运转时刻、很好的牢靠性和高的安全性。为了满意这些要求，LatticeXP2器材供给TransFR I/O、双引导和128位AES解密。
针对最大正常作业时刻的TransFR I/O
在体系装备期间，大多数FPGA的I/O均为三态。这种短少操控的状况一般迫使循环上电以便更新FPGA的装备。好像其他的Lattice FPGA，LatticeXP2器材具有TransFR I/O，在器材装备期间能冻住I/O的状况。这样现场更新的器材就有最小的中止和停机时刻，体系规划者可以满意高体系正常运转时刻和现场更新逻辑的两层要求。图8展现了TransFR I/O更新的4个过程。由于新的装备可以在后台载入LatticeXP2的片上Flash，新的装备载入SRAM是很快的。确定I/O，施加新的装备，再开释I/O的时刻小于2毫秒。
图8 TransFR I/O更新的4个过程
针对牢靠性的双引导计划
存储的FPGA装备被更新时，存在着电源或许通讯失利的危险，会导致不牢靠的装备和体系停止作业。假如产生了这种状况，访问技术员和纠正过失都是不小的开支。为了避免产生此类问题，LatticeXP2器材可以运用外部的SPI存储器来完结双引导计划。
如图9所示，上电时LatticeXP2企图从片上Flash载入SRAM装备位。假如在这个进程中检测到过错，所以FPGA从外部的SPI存储器读取备份或许重要的装备。用这种办法运转体系，可以牢靠地进行更新而不论电源或许通讯毛病。
图9 高牢靠现场更新的双引导办法
用于规划安全的128位加密
LatticeXP2器材能用可选的128位AES编程数据加密。器材收到加密数据时，用片上的解密引擎进行解密，解密引擎是用户界说的用Flash存储器存储在片上的密钥。根本的操作如图10所示。这种运作形式使得在现场更新期间灵敏的规划数据得到了维护。
本文小结
规划者挑选非易失器材的主要原因依然未变，这些原因是小的尺度、瞬时以及高牢靠性。但是对非易失数据存储和全面的现场更新处理计划的新要求正在鼓起。所有这些新要求都必须满意，并且，相关于传统的SRAM处理计划，非易失处理计划的额定费用是最小的。
现在有两种办法供给非易失FPGA：混合的和单片的。混合办法主要是处理小尺度的要求。而真实的单片非易失办法满意了小尺度、瞬时和高安全性的要求。
选用90纳米嵌入式Flash工艺，LatticeXP2 FPGA满意了挑选非易失器材的主要和新式的原因，一起还降低了本钱。
表1 LatticeXP2 FPGA 系列
作者： 莱迪思半导体公司
