FPGA开发板

FPGA是Field Programmable Gate Array的缩写，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。

FPGA是Ross Freema于1985年发明的，当时第一个FPGA采用2μm工艺，包含64个逻辑模块和85000个晶体管，门数量不超过1000个，当时他所创造的 FPGA被认为是一项不切实际的技术，他的同事Bill Carter曾说：“这种理念需要很多晶体管，但那时晶体管是非常珍贵的东西。”所以人们认为Ross的想法过于脱离现实。但是Ross预计：根据摩尔定律（每18个月晶体管密度翻一翻），晶体管肯定会越来越便宜，因此它必将成为未来不可或缺的技术。在短短的几年时间内，正如Ross所预言的，出现了数十亿美元的现场可编程门阵列（FPGA）市场。但可惜的是，他已经无法享受这一派欣欣向荣的景象，Ross Freeman在1989年已经与世长辞了，但是它的发明却持续不断地促进电子行业的进步与发展。

我们知道构成数字逻辑系统最基本的单元是与门、或门、非门等，而门电路是由用二极管、三极管和电阻等元件构成的，然后与门、或门、非门又构成了各种触发器实现状态记忆。FPGA同样也属于数字逻辑电路的一种，也是由最基本的元件构成的。一片FPGA可以在内部集成上亿个门电路，打破了以往使用数量繁多分立器件实现电子装置的历史，不仅电路面积、成本大大减小，而且可靠性得到了大幅度的提升。

一般来说，FPGA内部是由最小的物理逻辑单位LE、布线网络、输入输出模块与片内外设组成的，而最小物理逻辑单元是指用户无法修改的、固定的最小单元，设计者只能将这些单元通过互联线将其连接起来，然后实现特定的功能。一个LE是由触发器、LUT与控制逻辑组成的，从而同样可以实现组合逻辑和时序逻辑。

随着FPGA集成度的不断增加，其内部的片内外设也越来越多，可集成SRAM、Flash、AD、RTC等外设，真正用单芯片方案完成系统设计，所以我们所理解的FPGA最底层是一些实实在在的门电路构成的，然后由门电路构成最小的物理逻辑单元，然后再通过布线层将这些最小物理逻辑单元连接成用户需要的特定功能，我们所需要控制的仅仅是布线层之间的互连开关，这也是我们编程的对象，通过这些开关来改变功能。

FGPA按工艺分主要有SRAM工艺和Flash工艺（工艺是针对它们的编程开关来说的）两类，基于SRAM工艺的FPGA最大的缺点是掉电数据会丢失无法保存，所以由FPGA构成的系统，外部还需要增加一个配置芯片用于保存编程数据，在系统每次上电时都需要从配置芯片中将配置数据流加载到FPGA 中，然后才能正常地运行，其优点是灵活性很强。而基于Flash架构的FPGA在掉电后不会丢失数据，无需配置芯片，上电即可运行，其特点非常类似 ASIC，但却比ASIC更加灵活可以重复编程。由此可见如果用基于Flash架构的FPGA来取代ASIC的话，不仅风险大大降低，而且成本也会大幅度地下降。

1.Xilinx FPGA

2.Xilinx CPLD

3.Altera CPLD

4.Altera FPGA

5.LATTICE CPLD

6.LATTICE FPGA

汽车电子设计人员通过使用具有扩展温度范围的FPGA技术，能够显著提高应对多种故障的能力。虽然许多元件供应商采用预防性的设计技术及限定方法来模拟和仿真环境影响，但是某些FPGA构架在承受扩展温度范围方面仍然具有先天优势。

举例说，Actel以反熔丝为基础的汽车器件能承受业界最高的结点温度(+150℃)，为设计人员的高可靠性系统带来更大的性能冗余。

在高温下工作的能力不仅有利于抵御故障。由于汽车电子应用在空间和成本上都没有余地来加设风扇和散热装置，因此器件必须在没有外部散热装置的情况下仍能提供所需的性能。

极端的环境往往会导致与FPGA组装和封装相关的故障模式，而与装置本身无关。所以在汽车电子系统的各个层面预留规格余地非常重要。FPGA供货商如Xilinx和Actel等提供的产品具有较宽的军用温度范围，能够更好地定义热膨胀系数，避免热应力的影响。

即使在正常的温度和电压下工作，在FPGA的栅极氧化膜上反复施加电压应力最终也会使器件内的电介质绝缘层发生击穿。这种随使用时间累计而产生的击穿现象称为“时间相关绝缘击穿”(TDDB)。加上深亚微米技术的应用，会增加这类故障在现场发生的风险。

了解汽车电子产品的主要物理故障风险后，来讨论安全和防篡改等问题可能显得奇怪。然而，任何影响汽车系统可靠性因素的讨论，如果没有考虑人为干预(有意或无意的)的影响，都是不完整的。重要的是，我们必须确认汽车安全性和可靠性的建立是从组件层面开始。

举例说，如果黑客能够侵入基于FPGA的卫星无线总台接收器，并破坏用户的身份鉴别机制，某些不道德的用户就可以免费取用服务。系统的安全机制一旦被击破，便可轻易地将有关的技术散布给大众取用。只要登陆某些网站，就可轻松找到各种破解收费服务的控制台软件。从汽车制造商的角度来看，高风险的情况可能涉及汽车的防盗或安全系统。

或许更危险的情况是越来越多人尝试“调校”汽车产品以提高性能，此举通常会破坏地区或国家性的安全和环境标准。这类非法改装活动经由多种渠道提供，往往很难以控制和打击。许多改装者会重新校准各式车载系统元件的常规设置，并修改燃油输送、电子点火时间及其它控制功能，以便增强性能。

当然，这些改变可能会造成汽车在违反制造商的技术规格和保修规定的情况下行驶，但聪明的改装者却提供选项，可以将所有改动还原，令到损坏及超标使用的汽车符合制造商的保修条款，以期获得合法的赔偿。

要减少这些安全问题，应从技术的选定开始。业界专家普遍同意反熔丝是现有最安全的可编程架构，因为要清楚读取以反熔丝为基础器件的状态极之困难。例如，Actel的200万门反熔丝FPGA包含约5,300万个反熔丝，当中只有2-5%会在一般的设计中进行编程。因此，若要成功读取某项设计的内容机会微乎其微，更何况更改其中的编程状态。

一般而言，基于Flash的器件也是安全的；由于Flash的半导体层面不会发生任何物理变化，因此不可能通过非法探测来得知器件的状态。一些供应商甚至采用访问密钥等方案，进一步加强保护措施。Actel的新型ProASICPLUS系列便采用了79至263位长的密钥，一旦用密钥来保护后，内容便不可能被读取，除非对器件进行解锁。相反地，基于SRAM的器件需要外加配置器件(通常为板载PROM)，在上电时向SRAM器件发送配置位流。但此位流很容易被黑客拦截，从而进行复制或直接读取其内容。

问题是新工艺采用了高压应力测试进行评估。这类测试在取得氧化膜寿命的统计预测数据以及探测重要的制造与工艺难度方面很有效，但在建模和预测产品的早期故障方面收效甚微，特别是对于偶发性的故障。最初的击穿会在器件投入使用后很短时间内造成严重的故障后果。

找出及消除这些最初击穿故障的原因是一大挑战。从TDDB数据进行测试和验证能得出氧化膜的真正击穿寿命极限，但是这些数据在确定单个器件产品的寿命方面并不可靠。

即使半导体供应商有方法找出或消除早期故障，越来越多推测指出90nm器件的真正寿命周期可能不足以满足许多商业应用的要求。如果这些理论正确，汽车产品设计人员可能别无选择，只有指定基于更可靠几何尺寸和工艺的器件，为了提高可靠性而被迫放弃新一代工艺的边际效益。

过去汽车电子产品的开发周期是漫长的，而许多汽车制造商现正致力于在更短的时间内，装备消费者所需的新一代汽车。诸如GPS导航系统和DVD播放机等设备的产品生命周期相对较短，因此，产品推向市场的速度非常重要。采用ASIC可能会使开发周期增加30周，加上掩模成本大幅攀升，使得开支和风险也进一步提高。

与此同时，因为当今的汽车引入了许多标准和技术，使ASIC的应用缺乏灵活性，从而增加其被废弃和延迟应用的风险。消费者还要求享有各种功能选项，使得汽车厂商必需以一套元件组合为基础，再根据不同需求进行配置。

为了快速实现这些高度集成和不断变化的系统，能够使产品快速推向市场的FPGA为汽车厂商带来了所需的灵活性，可在现场进行系统硬件升级，而毋须执行昂贵的返工工程和部件更换。所以，FPGA现已应用于汽车电子中，范畴从设计验证到制造和服务。随着汽车内的空间日益宝贵，可编程逻辑能在小型单芯片方案上集成许多不同功能的特性也显得极具吸引。