Xilinx FPGA结构

Posted 2020-06-09

FPGA是什么？FPGA是现场可编程逻辑阵列，由可编程逻辑资源（LUT和 REG），可编程连线，可编程I/O构成。Xilinx的FPGA的基本结构是一样的，但随着半导体工艺的发展，FPGA的逻辑容量越来越丰富，速度更快，嵌入越来越多的硬核了，比如：ARM处理器，PCIe, ETHERNET等。在制程工艺上，Xilinx的7系列FPGA采用28 nm工艺，UltraScale采用20nm, UltraScale+ 采用16nm，每一代工艺的可用资源，比上一代就翻了一倍。

从架构而言，Xilinx 架构真正改变是从Virtex-4 提出的高级硅模组块 (Advanced Silicon Modular Block，ASMBL)，ASMBL通过使用独特的基于列的结构，每列代表一个具有专门功能的硅子系统,如逻辑资源、存储器、I/O、DSP、处理、硬IP和混合信号等。这使得通过组合不同功能列,组装成面向特定应用类别的专门领域FPGA，就好象堆积木一样，针对不同的应用领域的FPGA加不同的列模块就行了。

FPGA结构

Xilinx的FPGA是基于SRAM的查找表技术，所以需要上电后重新配置。从外部非易失性存储器中读数，通过配置控制器加载到内部配置SRAM 中。其组成部分主要有可编程输入/输出单元、可编程逻辑单元、可编程互联资源。并且整合了常用功能的硬核模块（如BRAM，时钟管理和DSP）等。

可编程I/O（输入/输出）

可编程I/O支持不同的IO引脚配置：IO标准，单端或差分，电压转换速率和输出强度、上拉或者下拉电阻，数控阻抗（DCI），可以使用IODELAY元件做输出延迟。

可配置逻辑块CLB

可配置逻辑块是指实现各种逻辑功能的电路。在Xilinx FPGA中，每个可配置逻辑块被包含2个为Slice。每个Slice 包含查找表、寄存器、进位链和多个多数选择器构成。而Slice又有两种不同的逻辑片：SLICEM和SLICEL。SLICEM有多功能的LUT，可配置成移位寄存器，或者ROM和RAM。逻辑片中的每个寄存器可以配置为锁存器使用。

布线资源

布线资源用来连通FPGA内部的所有单元，而连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。FPGA芯片内部有着丰富的布线资源，根据工艺、长度、宽度和分布位置不同而划分为4类不同的类别。第一类是全局布线资源，用于芯片内部全局时钟和复位/置位的布线；第二类是长线资源，用于完成Bank间的高速信号；第三类是短线资源，用于完成基本逻辑单元之间的逻辑互联和布线；第四类是分布式布线资源，用于专有时钟、复位等控制信号线。

时钟资源

时钟资源分为全局时钟资源、区域时钟资源和I/O时钟资源。(1)全局时钟网络是一种全局布线资源，它可以保证时钟信号到达各个目标逻辑单元的时延基本相同。(2) 区域时钟网络是一组独立于全局时钟网络的时钟网络。(3) I/O时钟资源可用于局部I/O串行器/解串器电路设计。对于源同步接口设计尤其有用。

嵌入存储器

Xilinx FPGA的嵌入式存储器有两种类型：专用Block RAM（BRAM）和可配置成为分布式RAM的LUT。BRAM（Block RAM）是双端口的RAM，数量因器件而定，每个Virtex-4 BRAM 可存储18Kbit的数据，支持同步读写操作，两个端口对称且完全独立，共享数据，每个端口可以根据需要改变其位宽和深度。BRAM可以配置为单端口RAM、双端口RAM、内容可寻址存储器（CAM）以及FIFO等。BRAM提供专用的控制逻辑实现同步/异步FIFO，其中的控制逻辑如计数器，比较器和状态标记等不会占用额外的CLB资源。

在FIFO模式下，BRAM的端口A是读端口，端口B是写端口。对数据流操作是自动的，用户不必关心BRAM的编址顺序，当特殊应用需要时引出WRCOUNT和RDCOUNT。用户需要检测FULL和EMPTY标记。可以设置这两个标记值，将其配置到FIFO地址段内的任何位置。

内嵌专用硬核

FPGA除以上的资源和功能模块外，还有时钟管理Tile（MMCM）：数字时钟管理模块（DCM）与相位匹配时钟分频器（PCMD），DSP模块等。 DSP模块可提供高性能、低功耗的运算单元。它能够实现乘法-累加单元。还提供了专用的收发器模块，实现串行器/解串器（SerDes）功能，比如RocketIO模块，以太网模块（Ethernet MAC）模块，ARM核。

总之，随着FPGA的内部资源会变得越来越丰富，不仅在原来的在网络、电信、医疗、工业等多个领域有广泛的应用，而且在数据中心，云计算等新领域中进一步开疆拓土。

 

参考文献：

[1] FPGA的基本结构：六大组成部分简介.

http://www.ednchina.com/ART_8800515300_18_20010_TA_f948a0d2.HTM

[2] ASMBL-创新下一代平台FPGA. http://www.laogu.com/wz_23841.htm

[3] Evgeni Stavinov. 第4则 FPGA结构. FPGA 高手设计. 电子工业出版社. 2013, 10.