Altera技术和产品：FPGA系统设计

几十年以前，Altera公司发明了世界上第一个可编程的逻辑器件。这是一个在纳斯达克上市的公司。Altera的产品包括可编程逻辑器件的设计软件、FPGA\\CPLD芯片、一系列知识产权，以及支撑这一切的相应的技术和服务。英特尔在2015年底以167亿美元的代价收购了Altera。

Altera的高密度PLD器件都是性能、密度和灵活性非常强大的产品。它的器件采用铜铝布线的CMOS技术，搭配连续式互连结构，对于信号的速度要求适应的非常好。Altera是和Xilinx齐名的FPGA\\CPLD开发公司。这世界上只有3家公司提供最底层的FPGA\\CPLD技术创新，一家叫作Xilinx，大概占了一半多一点的份额；一家叫作Altera，大概占了一半少一点的份额；还有一家叫作其他公司，占了剩下的零头。Altera的器件密度涵盖了从几百门到几百万门，很容易把各种逻辑器件集成起来。比如像普通的PLD、FPGA、甚至ASIC都可以用Altera的器件来实现。比如40多年前出现的74系列的芯片，一个芯片大概只有几百个逻辑门，其功能很容易就被Altera的器件代替了。74系列退出历史舞台也就是必然的了。

历史上，Altera先后推出了自主创新的MAX+plusII和Quartus软件。MAX+plusII软件能把简单门数的PLD功能以很快的速度开发实现，而Quartus则是后期开发的软件，对标的是Xilinx的ISE集成开发环境。两者性能不分伯仲。业界著名的一些第三方开发工具，比如Cadence、Mentor、Synopsys、Synplify和Viewlogic等，都可以在Quartus里调用。Altera还开发了一个叫作SOPC Builder的软件，将SOPC Builder和QuartusII相搭配，可以完成集成CPU的FPGA芯片的开发工作。ALTERA的PLD中的DSP系统设计涉及一些高级算法和HDL开发工具。为此，ALTERA开发了DSP BUILDER软件。该软件将MATLAB和SIMULINK系统级设计工具的算法开发、仿真和验证功能与VHDL综合、仿真和ALTERA开发工具整合在一起。

Altera有一些它自己事先已经开发并测试优化好的IP块，可以允许开发设计人员随时调用。这就意味着有一些别人已经做过的事，后来的开发人员没必要完全从头再做一遍。比如建房子，按照设计图，准备好砖、水泥、钢筋等建材，按照工序搭建好就行，屋顶该用预制板的就用预制板，又不是小哥野外生存拍个抖音，没必要建个房子还得先建个砖窑把砖生产一遍，或者再建个石灰窑，烧一炉石灰。这些IP宏功能块，也叫IP核，大大地提高了开发的效率。

实际上现在的FPGA\\CPLD开发人员，最初进入这一行的时候，都有在开发板上学习的经验。开发板指的就是，比如拿Altera公司的某个FPGA芯片，搭配相应的外部设备，系统就可以工作。把开发程序在Quartus开发环境调试好，下载到开发板，就可以运行。运行调试成功了，就可以把不需要的外设去掉，针对目标任务，重新制作电路板。这些IP核就可以直接在开发板上使用。

Altera的器件家族包括APEX20K、APEX II、Excalibur、Mercury、Stratix、ACEX1K、FLEX10K、FLEX8000、FLEX6000、MAX9000、MAX7000、MAX3000、Cyclone，以及Classic系列等。

比如MAX开头的器件，就出现在早期的MAX+plus II软件时期。后期出现的器件，基本都用Quartus开发。查找表技术用在了Altera的FLEX系列器件上，而门数比较少的MAX系列器件，使用的主要是乘积项结构。

尤其要提到的是其Excalibur系列是基于ARM和MIPS的硬核微处理器。ARM是英国的一家芯片开发公司，只设计，不生产芯片。2016年ARM被日本软银收购了。

Altera的主流FPGA包括两大类，一类是低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求，侧重于低端，比如Cyclone及其后续系列；还有一类侧重于高性能、大容量等各类高端应用，如Startix及其后续系列。

Cyclone系列

Altera在2003年推出了Cyclone系列。Cyclone系列也叫作飓风系列，是一种中等规模的FPGA，0.13um工艺，1.5v内核供电，成本很低。历史上来看，Cyclone系列是Altera开发的最成功的器件之一，性价比很不错。如果是在低密度等中低端应用场合，可以考虑使用这种类型的通用FPGA。

在这之后，Altera在2005年开始推出90nm工艺、1.2v内核供电、低成本的Cyclone II系列FPGA芯片。这一系列开始提供硬件乘法器单元。

在2007年，Altera采用台积电的65nm低功耗工艺技术，推出了Cyclone III系列FPGA芯片。

在2009年，Altera推出了60nm工艺的Cyclone IV FPGA系列芯片。

在2011年，Altera推出了28nm工艺的Cyclone V系列FPGA芯片。这款芯片是当时同期市面上系统成本最低、功耗最低的产品。与前几代产品相比，它的逻辑集成度大大提高，功耗降低了30%～40%。

Stratix系列

Stratix系列芯片出现在2002年中期，采用的是0.13um工艺和1.5v内核供电，这是一种大规模高端应用的FPGA。相比于之前的产品，Altera在这一系列产品上做了很大的内部结构改动。

在2004年，Altera推出了90nm工艺、1.2v内核供电的Stratix II系列芯片，这个系列的容量很大。

之后，Altera不断的改进Stratix系列。其Stratix V产品，采用的是28nm工艺，器件内部提供了28G的收发器，比较适合高端的应用。

FLEX10K系列

FLEX10K系列的集成度可达到25万门，甚至可以在其中开发出数字信号处理器。FLEX10K的结构和标准的门阵列一样。在一个串行PROM中配置数据，给FLEX10K上电就可以完成FLEX10K器件的配置。作为配置的PROM，有EPC1、EPC2、EPC16和EPC1441等器件。Altera为每一个FLEX10K器件设计了一个嵌入式阵列和一个逻辑阵列。什么叫作嵌入式阵列呢？嵌入式阵列主要是用来实现存储器和复杂的逻辑功能的。逻辑阵列又起什么作用呢？逻辑阵列主要用来实现普通的逻辑功能，比如加法器、乘法器、有限状态机等。FLEX10K支持5.0v/3.3v电压。FLEX10K的封装形式很多，有PLCC、TQFP、PQFP、RQFP、PGA和BGA等。

FLEX10K系列器件由嵌入式阵列块、逻辑阵列块、快速通道互连和I/O单元四个部分组成。嵌入式阵列由一些嵌入式阵列块来组成，可以用来实现存储器、RAM、ROM、FIFO、乘法器、微控制器、状态机等，甚至还可以实现数字信号处理。逻辑阵列由一些逻辑阵列块组成，包括一些四输入查找表、可编程触发器、进位链和级联链，以及一些局部互连。快速通道互连包括器件内部信号的互连和器件引脚之间信号的互连。它是怎么实现这种快速通道的呢？主要是在器件的长度方向和宽度方向贯通铺设互连线。I/O单元由一个双向缓冲和一个寄存器组成。

MAX7000系列

Altera的MAX7000系列是CPLD器件，其采用的是多阵列矩阵结构为基础的技术开发的。这个系列有3个特点：高密度和高速度、在系统编程和边界扫描测试功能。

MAX7000系列器件由逻辑阵列块、宏单元、扩展乘积项、可编程连线阵列和I/O控制块组成。每个逻辑阵列块由16个宏单元组成，它们各自连接对应的I/O控制块。宏单元是MAX7000系列器件的具体逻辑单元，是用来实现具体逻辑功能的。宏单元由逻辑阵列、乘积项选择矩阵和可编程触发器来组成。有些时候复杂的逻辑函数需要的乘积项很多，这就需要用到扩展乘积项。可编程连线阵列是用来把各逻辑阵列块相互连接。从而构成用户所需要的逻辑功能。I/O控制块是放置在每个逻辑阵列块与外部I/O引脚之间。I/O控制块的实现方式主要是三态门及使能控制电路。(https://www.xing528.com)

MAX7000系列器件的编程通过标准的JTAG接口来完成。用一条ByteBlaster并口下载电缆把准备编程的器件连接在计算机的并口后，就可以利用开发软件把程序下载到器件上。

APEX系列

APEX系列器件的密度很高，最高可达到一两百万门。时钟频率能达到800多MHz。APEX系列器件有系统级设计的能力，比如其提供了高速接口、多种I/O标准和时钟管理。APEX系列器件在设计时，同时吸取了MAX系列和FLEX系列器件的特点，比如说采用了包括查找表、乘积项、存储器等，形成了多核架构。多核架构意味着APEX系列器件具有高速、高密度和大容量存储器等特点，适合于系统级的设计。

ACEX系列

ACEX系列器件是中等密度的器件，基于查找表结构，主要用在调制解调器、低端交换和路由器。ACEX系列的工作电压都很低，密度为几万门。所有的ACEX系列器件都兼容66MHz的PCI。ACEX系列器件包括一个嵌入式阵列和一个逻辑阵列。嵌入式阵列的用途是生成存储器和专用逻辑，而逻辑阵列是用来实现通用的逻辑。ACEX系列器件还包括逻辑单元、快速互连布线结构和I/O单元。

Mercury系列

Mercury系列器件采用的是八层全铜连线的SRAM工艺，定位较为高端。这一系列器件的特点是对速度进行了优化。通过对查找表和增强型存储器的使用，它对核性能也做了优化。Mercury系列的开发由Quartus II软件来实现。Mercury系列器件由高速差分I/O接口、嵌入式系统块、逻辑与互连和I/O单元组成。它用一个基于行的逻辑阵列来实现一般逻辑，用一个基于行的嵌入式阵列来实现存储器及特殊逻辑，用一系列具有不同长度和速度的行列互连来提供信号互连。

Excalibur系列

Excalibur系列器件是一种嵌入了RISC微处理器的器件，这种器件就具有了较强的信号控制和逻辑运算的功能。其产品分别提供了基于ARM、MIPS和NIOS的器件。这一系列的器件的系统结构包括了嵌入式微处理器总线结构、在片存储器和可编程逻辑组成的四周部分。因此，这一系列的器件兼具了ASIC的高度集成特性和PLD的可灵活编程特性。该系列器件也由Quartus II支持进行开发。

自从Intel把Altera收购以后，两家企业合并报表，Intel对Altera的资源进行了整合。

Intel现有的FPGA系列只剩下了Stratix、Arria、Cyclone和MAX四个系列。

Intel现有的SOC FPGA产品实际上是对Stratix、Arria、Cyclone和MAX四个系列进行了功能扩展，除了本身具有FPGA的功能外，还具有SOC的功能，也就是微处理器，所以叫作SOC FPGA。

目前Intel的CPLD产品只剩下MAX一个系列。

下面我们以Stratix系列产品为例子，介绍一下Intel的FPGA的基本特性。如表14.1所示，各代英特尔©Stratix©设备家族具有不断演进的革命性特性。

表14.1　Stratix系列产品特性举例

比如Stratix系列从IV、V到10版本，都包括有自适应逻辑模块、收发器、嵌入式内容等结构。其中Stratix 10版本具有硬核处理器系统。当你需要做一个又有处理器、又有逻辑运算的高端系统的时候，就可以考虑使用Stratix 10版本器件。

图14.1是Stratix 10 MX体系结构的结构图。

图14.1　Stratix 10 MX体系结构的结构图

四个角都是收发器，各个出口都有桥接，具有多个RAM模块。

表14.2是Stratix 10 MX系列资源列表。

表14.2　Stratix 10 MX系列资源列表