FPGA入門(mén)知識介紹

近幾年來(lái)，由于現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的使用非常靈活，又可以無(wú)限次的編程，已受到越來(lái)越多的電子編程者的喜愛(ài)，很多朋友都想學(xué)習一些FPGA入門(mén)知識準備進(jìn)行這個(gè)行業(yè)，現在關(guān)于FPGA入門(mén)知識的書(shū)籍、論壇、教程等種類(lèi)繁多各式各樣。下面筆者也通過(guò)搜尋一些關(guān)于FPGA入門(mén)知識的資料供大家學(xué)習和參考。

FPGA入門(mén)知識首先要從FPGA的定義開(kāi)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(yǔ)言(Verilog 或 VHDL)所完成的電路設計，可以經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的綜合與布局，快速的燒錄至 FPGA 上進(jìn)行測試，是現代 IC 設計驗證的技術(shù)主流。

FPGA入門(mén)知識還應該包含FPGA工作原理、FPGA的基本特點(diǎn)、FPGA芯片結構等基礎的知識，下面小編從以下幾個(gè)方面來(lái)對FPGA入門(mén)知識進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。

FPGA工作原理

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA這樣一個(gè)概念，內部包括可配置邏輯模塊CLB、輸出輸入模塊IOB和內部連線(xiàn)三個(gè)部分。FPGA利用小型查找表(16×1RAM)來(lái)實(shí)現組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來(lái)驅動(dòng)其他邏輯電路或驅動(dòng)I/O，由此構成了即可實(shí)現組合邏輯功能又可實(shí)現時(shí)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(xiàn)互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過(guò)向內部靜態(tài)存儲單元加載編程數據來(lái)實(shí)現的，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(shí)現的功能, 加電時(shí)，FPGA芯片將EPROM中數據讀入片內編程RAM中，配置完成后，FPGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，FPGA恢復成白片，內部邏輯關(guān)系消失，因此，FPGA能夠反復使用。FPGA的編程無(wú)須專(zhuān)用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當需要修改FPGA功能時(shí)，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片FPGA，不同的編程數據，可以產(chǎn)生不同的電路功能。FPGA是由存放在片內RAM中的程序來(lái)設置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對片內的RAM進(jìn)行編程。用戶(hù)可以根據不同的配置模式，采用不同的編程方式。

FPGA的基本特點(diǎn)

1)采用FPGA設計ASIC電路(專(zhuān)用集成電路)，用戶(hù)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內部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。

4)FPGA是ASIC電路中設計周期最短、開(kāi)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(shuō)，FPGA芯片是小批量系統提高系統集成度、可靠性的最佳選擇之一。

FPGA芯片結構

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(shí)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(shí)鐘管理、嵌入塊式RAM、豐富的布線(xiàn)資源、內嵌的底層功能單元和內嵌專(zhuān)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(jiǎn)稱(chēng)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/輸出信號的驅動(dòng)與匹配要求。為了便于管理和適應多種電器標準，FPGA的IOB被劃分為若干個(gè)組(bank)，每個(gè)bank的接口標準由其接口電壓VCCO決定，一個(gè)bank只能有 一種VCCO，但不同bank的VCCO可以不同。只有相同電氣標準的端口才能連接在一起，VCCO電壓相同是接口標準的基本條件。

I/O塊內部結構圖

典型的IOB內部結構示意圖

2. 可配置邏輯塊(CLB)

CLB是FPGA內的基本邏輯單元。CLB的實(shí)際數量和特性會(huì )依器件的不同而不同，但是每個(gè)CLB都包含一個(gè)可配置開(kāi)關(guān)矩陣，此矩陣由4或6個(gè)輸入、一些 選型電路(多路復用器等)和觸發(fā)器組成。開(kāi)關(guān)矩陣是高度靈活的，可以對其進(jìn)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FPGA都具有內嵌的塊RAM，這大大拓展了FPGA的應用范圍和靈活性。塊RAM可被配置為單端口RAM、雙端口RAM、內容地址存儲器 (CAM)以及FIFO等常用存儲結構。CAM存儲器在其內部的每個(gè)存儲單元中都有一個(gè)比較邏輯，寫(xiě)入 CAM中的數據會(huì )和內部的每一個(gè)數據進(jìn)行比較，并返回與端口數據相同的所有數據的地址，因而在路由的地址交換器中有廣泛的應用。除了塊RAM，還可以將 FPGA中的LUT靈活地配置成RAM、ROM和FIFO等結構。在實(shí)際應用中，芯片內部塊RAM的數量也是選擇芯片的一個(gè)重要因素。

5. 豐富的布線(xiàn)資源

布線(xiàn)資源連通FPGA內部的所有單元，而連線(xiàn)的長(cháng)度和工藝決定著(zhù)信號在連線(xiàn)上的驅動(dòng)能力和傳輸速度。FPGA芯片內部有著(zhù)豐富的布線(xiàn)資源，根據工藝、長(cháng)度、寬度和分布位置的不同而劃分為4類(lèi)不同的類(lèi)別。第一類(lèi)是全局布線(xiàn)資源，用于芯片內部全局時(shí)鐘和全局復位/置位的布線(xiàn);第二類(lèi)是長(cháng)線(xiàn)資源，用以完成芯片 Bank間的高速信號和第二全局時(shí)鐘信號的布線(xiàn);第三類(lèi)是短線(xiàn)資源，用于完成基本邏輯單元之間的邏輯互連和布線(xiàn);第四類(lèi)是分布式的布線(xiàn)資源，用于專(zhuān)有時(shí)鐘、復位等控制信號線(xiàn)。

在實(shí)際中設計者不需要直接選擇布線(xiàn)資源，布局布線(xiàn)器可自動(dòng)地根據輸入邏輯網(wǎng)表的拓撲結構和約束條件選擇布線(xiàn)資源來(lái)連通各個(gè)模塊單元。從本質(zhì)上講，布線(xiàn)資源的使用方法和設計的結果有密切、直接的關(guān)系。

6. 底層內嵌功能單元

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

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

7. 內嵌專(zhuān)用硬核

內嵌專(zhuān)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A(yíng)SIC電路。為了提高FPGA性能，芯片生產(chǎn)商在芯片內部集成了一些專(zhuān)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(zhuān)用乘法器;為了適用通信總線(xiàn)與接口標準，很多高端的FPGA內部都集成了串并收發(fā)器(SERDES)，可以達到數十Gbps的收發(fā)速度。

結束語(yǔ)

了解現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)的一些基本知識對于想要開(kāi)發(fā)和編程用戶(hù)是十分必要的。本文主要是針對初級的FPGA愛(ài)好者對 FPGA入門(mén)知識進(jìn)行簡(jiǎn)單的總結，FPGA入門(mén)需要了解FPGA的工作原理、基本特點(diǎn)、以及FPGA芯片的構成和功能模塊等各個(gè)方面。希望通過(guò)閱讀筆者的這篇FPGA入門(mén)知識介紹文章可以對想要了解FPGA的您有所幫助。