FPGA - 认识FPGA

Posted 2020-10-15 doget

一、何为FPGA？

FPGA，英文全拼：Field－Programmable Gate Array

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。

二、FPGA生产厂家有哪些？

Altera（被Intel收购），开发平台Quartus

 　　下图是Altera Cyclone IV的产品信息说明

Cyclone IV GX系列资源列表

xilinx（赛灵思），开发平台SDSoC

Actel ，开发平台是Libero

Lattice，开发平台是ispLEVER

Atmel

三、FPGA内部组成

FPGA 芯片主要由 6 部分完成，分别为 ：

1.可编程输入输出单元（IOB Input Output Block）

　　可编程输入 / 输出单元简称 I/O 单元，是芯片与外界电路的接口部分，完成不同电气特性下对输入 / 输出信号的驱动与匹配要求，其示意结构如图所示。FPGA 内的 I/O 按组分类，每组都能够独立地支持不同的 I/O标准。通过软件的灵活配置，可适配不同的电气标准与 I/O 物理特性，可以调整驱动电流的大小，可以改变上、下拉电阻。目前，I/O 口的频率也越来越高，一些高端的 FPGA 通过 DDR 寄存器技术可以支持高达 2Gbps 的数据速率。

　　外部输入信号可以通过 IOB 模块的存储单元输入到 FPGA 的内部，也可以直接输入 FPGA 内部。当外部输入信号经过 IOB 模块的存储单元输入到 FPGA 内部时，其保持时间 (Hold Time) 的要求可以降低，通常默认为 0。为了便于管理和适应多种电器标准，FPGA 的 IOB 被划分为若干个组 (bank)，每个 bank 的接口标准由其接口电压 VCCO 决定，一个 bank 只能有一种 VCCO，但不同 bank 的 VCCO 可以不同。只有相同电气标准的端口才能连接在一起，VCCO 电压相同是接口标准的基本条件。

2.可配置逻辑块(CLB)

　　CLB 是 FPGA 内的基本逻辑单元。CLB 的实际数量和特性会依器件的不同而不同，但是每个 CLB 都包含一个可配置开关矩阵，此矩阵由 4 或 6 个输入、一些选型电路 ( 多路复用器等 ) 和触发器组成。 开关矩阵是高度灵活的，可以对其进行配置以便处理组合逻辑、移位寄存器或 RAM。在赛灵思公司公司的 FPGA 器件中，CLB 由多个 ( 一般为 4 个或 2 个 ) 相同的 Slice 和附加逻辑构成，如图  所示。每个 CLB 模块不仅可以用于实现组合逻辑、时序逻辑，还可以配置为分布式 RAM 和分布式 ROM。

3.完整的时钟管理

　　提供数字时钟管理和相位环路锁定。业内大多数 FPGA 均提供数字时钟管理 ( 赛灵思公司的全部 FPGA 均具有这种特性 )。赛灵思公司推出最先进的 FPGA 提供数字时钟管理和相位环路锁定。相位环路锁定能够提供精确的时钟综合，且能够降低抖动，并实现过滤功能。

4.嵌入块式 RAM

　　块RAM可被配置为单端口RAM、双端口RAM、内容地址存储器(CAM)以及FIFO等常用存储结构。单片块RAM的容量为18k比特，即位宽为18比特、深度为1024，可以根据需要改变其位宽和深度，但要满足两个原则：首先，修改后的容量(位宽 深度)不能大于18k比特；其次，位宽最大不能超过36比特。当然，可以将多片块RAM级联起来形成更大的RAM，此时只受限于芯片内块RAM的数量，而不再受上面两条原则约束。

5.丰富的布线资源

　　FPGA芯片内部有着丰富的布线资源，根据工艺、长度、宽度和分布位置的不同而划分为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全局复位/置位的布线;第二类是长线资源，用以完成芯片 Bank间的高速信号和第二全局时钟信号的布线;第三类是短线资源，用于完成基本逻辑单元之间的逻辑互连和布线;第四类是分布式的布线资源，用于专有时钟、复位等控制信号线。

6.内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块

　　内嵌功能模块主要指DLL(Delay Locked Loop)、PLL(Phase Locked Loop)、DSP 等软处理核(Soft Core)。现在越来越丰富的内嵌功能单元，使得单片FPGA 成为了系统级的设计工具，使其具备了软硬件联合设计的能力，逐步向SOC 平台过渡。

DLL 和PLL 具有类似的功能，可以完成时钟高精度、低抖动的倍频和分频，以及占空比调整和移相等功能。赛灵思公司生产的芯片上集成了DCM 和DLL，Altera 公司的芯片集成了PLL，LatTIce 公司的新型芯片上同时集成了PLL 和DLL。PLL 和DLL 可以通过IP 核生成的工具方便地进行管理和配置。

　　内嵌专用硬核是相对底层嵌入的软核而言的，指FPGA 处理能力强大的硬核(Hard Core)，等效于ASIC 电路。为了提高FPGA 性能，芯片生产商在芯片内部集成了一些专用的硬核。例如：为了提高FPGA 的乘法速度，主流的FPGA 中都集成了专用乘法器；为了适用通信总线与接口标准，很多高端的FPGA 内部都集成了串并收发器(SERDES)，可以达到数十Gbps 的收发速度。