7.1.1 星载计算机FPGA系列及体系架构
目前市场上FPGA芯片主要来自美国Xilinx公司（已被AMD公司收购）和Altera公司（已被Intel公司收购），这两家公司占据了FPGA 80%以上的市场份额，其他的FPGA厂家产品主要是针对某些特定的应用，比如，美国ACTEL公司（已被Microsemi公司收购）主要生产反熔丝型FPGA，以满足应用条件极为苛刻的航空、航天领域产品。FPGA按是否可重复编程，可以分为一次可编程FPGA和重复可编程FPGA；按编程技术，可以分为SRAM型FPGA、Flash型FPGA和反熔丝型FPGA。这三大类优缺点及代表厂商见表7- 1。
1）反熔丝型FPGA
反熔丝型FPGA的代表厂商是ACTEL公司，该公司抗辐射的FPGA在航天应用十分广泛。目前已经用于超过300个太空计划中，包括GPS、Echostar、国际太空站和火星探路者等。ACTEL公司的反熔丝型FPGA芯片基本可分为两大系列：SX-A系列和AX系列。
（1）SX-A系列芯片采用0.22μm的CMOS工艺生产，芯片类型较多，逻辑规模中等，系统运行频率可达240 MHz，是一种低功耗、高性能的解决方案，也是目前宇航用反熔丝型FPGA中使用最为广泛的系列。SX-A系列器件速度等级分为-F、-Std、-1、-2四种，宇航用一般为-Std和-1两种速度等级。宇航用SX-A系列FPGA的型号规格推荐A54SX32A-1CQ208B、A54SX72A-1CQ208B、A54SX72A-1CQ256B等。
表7-1 FPGA三大类型比较
（2）AX系列反熔丝型FPGA在SX-A架构上进行了扩展，是一种高性能的高速反熔丝型FPGA。芯片采用0.15μm CMOS工艺制成，系统运行频率可达350 MHz。AX系列器件速度等级分为-Std、1、-2三种，宇航用一般为-1速度等级。宇航用AX系列FPGA的型号规格推荐AX500-1CQ208M、AX2000-1CQ352M、AX2000-1CG624M等。
反熔丝型FPGA主要由可编程逻辑模块、IO模块、可编程布线资源三部分组成。可编程逻辑模块是实现逻辑功能的基本单元，包括组合逻辑单元（C-cell）和时序逻辑单元（R-cell）等；IO模块提供了器件引脚和内部逻辑阵列之间的连接，实现输入、输出等功能；可编程布线资源包括各种长度的金属连线线段和一些可编程连接开关，将各逻辑模块与IO模块互相连接，构成复杂可编程功能的系统。
不同系列反熔丝型FPGA的逻辑组成基本相同，以AX系列反熔丝型FPGA芯片为例进行说明，其架构如图7-1所示，一定数量的逻辑簇与多个BRAM单元组成了AX系列反熔丝型FPGA芯片的宏块单元（core tile），若干个宏块单元加上外围I/O簇资源及时钟和PLL单元共同组成了芯片的整体架构。
2）SRAM型FPGA
目前市场上SRAM型FPGA芯片主要来自AMD公司和Intel公司，占据全球FPGA 87%以上的市场。AMD公司的主流Xilinx FPGA分为两大系列：①Spartan系列，侧重于低成本应用，容量中等，性能可满足一般的逻辑设计要求；②Virtex系列，侧重于高性能应用，容量大，性能可满足各种高端应用。Intel公司的主流FPGA大致分为五个系列：Agilex TM系列、STRATIX系列、ARRIA系列、CYCLON系列和MAX系列。
为了实现关键技术的自主可控，中国很多公司或机构也一直致力于FPGA芯片的研发工作，例如紫光同创电子有限公司、深圳国威电子有限公司、中国航天电子技术研究院、中国电子科技集团公司第五十八研究所、上海复旦微电子有限公司和成都华微电子有限公司等。中国FPGA芯片制造企业紧跟国际一流公司步伐，布局人工智能、自动驾驶等市场，打造高、中、低端完整产品线。经过多年创新研发，许多国产FPGA芯片已经成功应用于中国民用、军工和航天领域。
图7-1 AX系列反熔丝型FPGA的设计架构
SRAM型FPGA是一个由可配置逻辑模块、输入输出模块和布线资源组成的对称逻辑模块阵列。以某型号SRAM型FPGA为例，其结构如图7-2所示。逻辑模块（L）包含电路的功能度，连接盒（C）把逻辑模块的端口连接到相邻的线道上去，开关盒（S）连接着相邻的水平线道段和垂直线道段。输入输出模块（I）连接着布线线道和I/O配位孔。不同规格的器件所含CLB等资源不同，以10 000门为例，器件包含有400个CLB、160个IOB，以及为实现可编程连线所需的其他部件。
3）Flash型FPGA
Flash型FPGA主要由ACTEL公司生产，相比SRAM型FPGA器件而言，基于Flash型FPGA的可重复编程器件的主要优势在于其具有非易失性的特性，采用Flash编程单元来控制FPGA内部的开关逻辑门。由于其开关单元的优异特性，集中了反熔丝型FPGA和SRAM型FPGA两者的特点，具有非易失性、可多次编程、高可靠性、高安全性和低功耗等特性。到目前为止推出了Pro ASIC3系列、低功耗的IGLOO系列，以及集成Pro ASIC3 FPGA架构与可编程模拟模块的Fusion系列。
图7-2 某型号SRAM型FPGA结构示意图
图7-3 Flash型FPGA架构
Flash型FPGA电路规模较大，内部资源丰富，按照电路功能划分模块后，其架构如图7-3所示。Flash型FPGA电路可以分成两大功能区域：内部编程配置电路和外围控制电路。内部编程配置电路的核心由呈矩阵形式排列的可编程逻辑单元构成，可编程逻辑单元矩阵的顶部和底部分布着两个SRAM单元阵列区域，各电路单元由可编程布线资源进行互连。外围控制电路包括底部SRAM阵列区域下面与编程相关的控制电路、芯片最外围的IO模块及时钟控制模块等。