FPGA入門知識介紹

近幾年來，由于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的使用非常靈活，又可以無限次的編程，已受到越來越多的電子編程者的喜愛，很多朋友都想學(xué)習(xí)一些FPGA入門知識準(zhǔn)備進行這個行業(yè)，現(xiàn)在關(guān)于FPGA入門知識的書籍、論壇、教程等種類繁多各式各樣。下面筆者也通過搜尋一些關(guān)于FPGA入門知識的資料供大家學(xué)習(xí)和參考。

FPGA入門知識首先要從FPGA的定義開始，什么是FPGA呢，有什么作用這些都是基本需要了解的東西。FPGA是可編程器件，目前以硬件描述語言(Verilog 或 VHDL)所完成的電路設(shè)計，可以經(jīng)過簡單的綜合與布局，快速的燒錄至 FPGA 上進行測試，是現(xiàn)代 IC 設(shè)計驗證的技術(shù)主流。

FPGA入門知識還應(yīng)該包含F(xiàn)PGA工作原理、FPGA的基本特點、FPGA芯片結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)的知識，下面小編從以下幾個方面來對FPGA入門知識進行簡單的介紹。

FPGA工作原理

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA這樣一個概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB、輸出輸入模塊IOB和內(nèi)部連線三個部分。FPGA利用小型查找表(16×1RAM)來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動其他邏輯電路或驅(qū)動I/O，由此構(gòu)成了即可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式,并最終決定了FPGA所能實現(xiàn)的功能, 加電時，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時需要對片內(nèi)的RAM進行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。

FPGA的基本特點

1)采用FPGA設(shè)計ASIC電路(專用集成電路)，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。

2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。

3)FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。

4)FPGA是ASIC電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風(fēng)險最小的器件之一。

5) FPGA采用高速CMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。

可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。

FPGA芯片結(jié)構(gòu)

目前主流的FPGA仍是基于查找表技術(shù)的，已經(jīng)遠遠超出了先前版本的基本性能，并且整合了常用功能(如RAM、時鐘管理和DSP)的硬核(ASIC型)模塊。FPGA芯片主要由7部分完成，分別為：可編程輸入輸出單元、基本可編程邏輯單元、完整的時鐘管理、嵌入塊式RAM、豐富的布線資源、內(nèi)嵌的底層功能單元和內(nèi)嵌專用硬件模塊。

1. 可編程輸入輸出單元(IOB)

可編程輸入/輸出單元簡稱I/O單元，是芯片與外界電路的接口部分，完成不同電氣特性下對輸入/輸出信號的驅(qū)動與匹配要求。為了便于管理和適應(yīng)多種電器標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)PGA的IOB被劃分為若干個組(bank)，每個bank的接口標(biāo)準(zhǔn)由其接口電壓VCCO決定，一個bank只能有 一種VCCO，但不同bank的VCCO可以不同。只有相同電氣標(biāo)準(zhǔn)的端口才能連接在一起，VCCO電壓相同是接口標(biāo)準(zhǔn)的基本條件。

I/O塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

典型的IOB內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2. 可配置邏輯塊(CLB)

CLB是FPGA內(nèi)的基本邏輯單元。CLB的實際數(shù)量和特性會依器件的不同而不同，但是每個CLB都包含一個可配置開關(guān)矩陣，此矩陣由4或6個輸入、一些 選型電路(多路復(fù)用器等)和觸發(fā)器組成。開關(guān)矩陣是高度靈活的，可以對其進行配置以便處理組合邏輯、移位寄存器或RAM。

4. 嵌入式塊RAM(BRAM)

大多數(shù)FPGA都具有內(nèi)嵌的塊RAM，這大大拓展了FPGA的應(yīng)用范圍和靈活性。塊RAM可被配置為單端口RAM、雙端口RAM、內(nèi)容地址存儲器 (CAM)以及FIFO等常用存儲結(jié)構(gòu)。CAM存儲器在其內(nèi)部的每個存儲單元中都有一個比較邏輯，寫入 CAM中的數(shù)據(jù)會和內(nèi)部的每一個數(shù)據(jù)進行比較，并返回與端口數(shù)據(jù)相同的所有數(shù)據(jù)的地址，因而在路由的地址交換器中有廣泛的應(yīng)用。除了塊RAM，還可以將 FPGA中的LUT靈活地配置成RAM、ROM和FIFO等結(jié)構(gòu)。在實際應(yīng)用中，芯片內(nèi)部塊RAM的數(shù)量也是選擇芯片的一個重要因素。

5. 豐富的布線資源

布線資源連通FPGA內(nèi)部的所有單元，而連線的長度和工藝決定著信號在連線上的驅(qū)動能力和傳輸速度。FPGA芯片內(nèi)部有著豐富的布線資源，根據(jù)工藝、長度、寬度和分布位置的不同而劃分為4類不同的類別。第一類是全局布線資源，用于芯片內(nèi)部全局時鐘和全局復(fù)位/置位的布線;第二類是長線資源，用以完成芯片 Bank間的高速信號和第二全局時鐘信號的布線;第三類是短線資源，用于完成基本邏輯單元之間的邏輯互連和布線;第四類是分布式的布線資源，用于專有時鐘、復(fù)位等控制信號線。

在實際中設(shè)計者不需要直接選擇布線資源，布局布線器可自動地根據(jù)輸入邏輯網(wǎng)表的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和約束條件選擇布線資源來連通各個模塊單元。從本質(zhì)上講，布線資源的使用方法和設(shè)計的結(jié)果有密切、直接的關(guān)系。

6. 底層內(nèi)嵌功能單元

內(nèi)嵌功能模塊主要指DLL(Delay Locked Loop)、PLL(Phase Locked Loop)、DSP和CPU等軟處理核?，F(xiàn)在越來越豐富的內(nèi)嵌功能單元，使得單片F(xiàn)PGA成為了系統(tǒng)級的設(shè)計工具，使其具備了軟硬件聯(lián)合設(shè)計的能力，逐步向SOC平臺過渡。

DLL和PLL具有類似的功能，可以完成時鐘高精度、低抖動的倍頻和分頻，以及占空比調(diào)整和移相等功能。

7. 內(nèi)嵌專用硬核

內(nèi)嵌專用硬核是相對底層嵌入的軟核而言的，指FPGA處理能力強大的硬核(Hard Core)，等效于ASIC電路。為了提高FPGA性能，芯片生產(chǎn)商在芯片內(nèi)部集成了一些專用的硬核。例如：為了提高FPGA的乘法速度，主流的FPGA 中都集成了專用乘法器;為了適用通信總線與接口標(biāo)準(zhǔn)，很多高端的FPGA內(nèi)部都集成了串并收發(fā)器(SERDES)，可以達到數(shù)十Gbps的收發(fā)速度。

結(jié)束語

了解現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的一些基本知識對于想要開發(fā)和編程用戶是十分必要的。本文主要是針對初級的FPGA愛好者對 FPGA入門知識進行簡單的總結(jié)，F(xiàn)PGA入門需要了解FPGA的工作原理、基本特點、以及FPGA芯片的構(gòu)成和功能模塊等各個方面。希望通過閱讀筆者的這篇FPGA入門知識介紹文章可以對想要了解FPGA的您有所幫助。