FPGA基础知识

1、FPGA基础知识FPGA基础知识基础知识 FPGA基础知识主要内容主要内容n器件结构nFPGA/CPLDnASIC/FPGAn软核硬核n设计流程FPGA基础知识器件结构器件结构nFPGA演变过程E2PROMGALFPGASOPCPROMEPROME2PROMPLDGALCPLDFPGASOPCFPGA基础知识PROMnPROM/EPROM/E2PROMPROM:可编程只读存储器,通过专用的烧录器编程;编程后不可擦除信息; EPROM:紫外线可擦除只读存储器,可通过光擦除编程信息;E2PROM:电可擦除存储器.nPLD/GALPLD:可编程逻辑阵列; GAL:通用逻辑阵列; PLD/GAL基于与

2、或结构，采用e2prom工艺，主要用于替代早期的74系列门电路芯片，灵活度相对要大FPGA基础知识CPLDnCPLD/EPLDCPLD:复杂可编程逻辑器件；EPLD:增加型可编程逻辑器件； CPLD基于乘积项结构，采用e2prom或flash工艺，掉电配置信息可保留，主要应用于接口转换，IO扩展，总线控制等；CPLD结构主要由可编程IO单元、基本逻辑单元、布线池矩阵组成；可编程IO单元：可设置集电极开路输出、摆率控制、三态输出等； 基本逻辑单元：主要指乘积项阵列，实际就是一个与或阵列，每一个交叉点都是一个可编程熔丝，如果导通就是实现“与”逻辑。后面的乘积项选择矩阵是一个“或”阵列。两者一起完成

3、组合逻辑。布线矩阵：用于输入与输出的互联，因布线长度固定，pin to pin的延时也是固定的； FPGA基础知识CPLD器件结构器件结构nMAX7000 CPLD内部结构宏单元FPGA基础知识n宏单元(乘积项)与阵列FPGA基础知识n乘积项结构或阵列FPGA基础知识CPLD逻辑实现逻辑实现n实现原理组合逻辑的输出(AND3的输出)为F，则F=(A+B)*C*(!D)=A*C*!D + B*C*!D ；PLD实现FPGA基础知识FPGAnFPGA（Filed programmable gate device）：现场可编程逻辑器件 FPGA基于查找表加触发器的结构，采用SRAM工艺，也有采用fl

4、ash或者反熔丝工艺；主要应用高速、高密度大的数字电路设计；FPGA由可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源（时钟/长线/短线）、底层嵌入功能单元、内嵌专用的硬核等组成；目前市场上应用比较广泛的FPGA芯片主要来自Altera与Xilinx。另外还有其它厂家的一些低端芯片(Actel、Lattice)；FPGA基础知识nFPGA器件结构n可编程输入/输出单元n可编程逻辑单元n嵌入式块RAMn布线资源n底层嵌入功能单元FPGA基础知识FPGA器件结构器件结构nXilinxspatan-3器件结构FPGA基础知识nAltera cyclone II器件结构LABF

5、PGA基础知识nFPGA器件结构n可编程输入/输出单元n可编程逻辑单元n嵌入式块RAMn布线资源n底层嵌入功能单元FPGA基础知识n可编程输入/输出单元 可编程I/O，可配置成OC门、三态门、双向IO、单端差分等；支持各种不同的I/O标准：LVTTL、LVCOMS、SSTL、LVDS、HSTL、PCI等；FPGA基础知识Altera 器件器件IOE结构结构一般IO结构FPGA基础知识Xilinx器件器件IOB结构结构DDRIO结构FPGA基础知识nFPGA器件结构n可编程输入/输出单元n可编程逻辑单元n嵌入式块RAMn布线资源n底层嵌入功能单元FPGA基础知识n基本可编程逻辑单元由查找表(Lo

6、ok up table)触发器(FF)组成；LUT一般是4输入查找表，高端器件（xilinx v5）采用LUT-6结构；LUT可看成4位地址线的16x1的RAM 结构FF是可编程的触发器，可配置成同步/异步复位、同步/异步置位、使能、装载等功能触发器； a,b,c,d out0,0,0,0 00,0,0,1 0 .1,1,1,1 1address data 0000 0 0001 0 . 1111 1FPGA基础知识LE/SLICEn基本逻辑单元LE/SLICEAltera:LEXilinx:SLICEFPGA基础知识LAB/CLBn可编程逻辑块Altera:LABXilinx:CLBLEFP

7、GA基础知识nFPGA器件结构n可编程输入/输出单元n可编程逻辑单元n嵌入式块RAMn布线资源n底层嵌入功能单元FPGA基础知识BRAMn嵌入式块RAM 嵌入式块RAM可配置单/双端口RAM、伪双端口RAM、ROM、FIFO、SHIFT、CAM等；不同厂家的块RAM大小不一样：Altera：M512、M4K、M-RAM(512K)Xilinx：18kbitLattic：9kbit完全分开的读写口FPGA基础知识nFPGA器件结构n可编程输入/输出单元n可编程逻辑单元n嵌入式块RAMn布线资源n底层嵌入功能单元FPGA基础知识布线资源布线资源n布线资源 全局布线资源：用于全局时钟/全局复位/全局

8、置位布线；长线资源：用于BANK或者嵌入式功能单元的高速信号或者第二全局时钟的布线；短线资源：用于其中逻辑单元间的逻辑互联与布线；FPGA基础知识nFPGA器件结构n可编程输入/输出单元n可编程逻辑单元n嵌入式块RAMn布线资源n底层嵌入功能单元FPGA基础知识n底层嵌入式功能块 主要是指PLL/DPLL、DCM、DSP48、乘法器、嵌入式硬核/软核；Xilinx：DCM、DSP48/48E、DPLL、Multiplier等Altera：PLL/EPLL/FPLL、DSPcore等；Multiplier结构FPGA基础知识PLL/DCMnPLL/DCMAltera:PLLXilinx:DCMF

9、PGA基础知识n内嵌专用硬核 指高速串行收发器；GMAC、SERDES、PCIe等；Xilinx：GMAC、SERDES、PCI、GTX、GRXAtera：GMAC、SERDES、PCIe、SPI.4/SFI.5FPGA基础知识nSOPC(System on programmable chip):片上可编程系统FPGA内嵌入了CPU/DSP，具备实现软硬件协同设计的能力； Xilinx：EDK/system generator/matlab/accel DSP/modelsimAltera： SOPC builder/DSPbuilder/matlab/modelsimFPGA基础知识基于基于

10、FPGA的的DSP设计设计n基于FPGA的DSP设计Matlab*.msystem generatorAccel DSP*.vsimulinkmodelsimFPGA基础知识FPGA与与CPLD区别区别n区别工艺/结构/延时/配置uFPGA基于SRAM工艺，集成度高，以LE（包括LUT、FF及其他）为基本单元，有内嵌BRAM、DSP、Multipler等，支持IO标准丰富(LVCOMS33/SSTL25/LVDS等)。具有易挥发性，需要有上电加载过程。在实现复杂算法、队列调度、数据处理、高性能设计、大容量缓存设计等领域中有广泛应用 ；uCPLD基于E2PROM工艺，集成度低，以MicroCel

11、l（包括组合部分与寄存器）为基本单元。具有非挥发特性，可以重复写入。在粘合逻辑、地址译码、简单控制、FPGA加载等设计中有广泛应用 uFPGA基于丰富的触发器结构，适合于时序逻辑设计；uCPLD基于乘积项结构，适合于算法与组合逻辑设计；uCPLD的布线结构使得时序延迟是均匀的和可预测的；uFPGA可以编程任意次,可在工作中快速编程,从而实现板级和系统级的动态配置。FPGA基础知识FPGA/ASICn开发周期/风险/人力ASIC开发周期长，开发难度大，开发风险强，灵活性小，不具备可编程性；FPGA开发周期短，难度相对要小，具备可编程性，灵活度大，可降低开发风险；n开发流程ASIC开发流程：设计输

12、入/逻辑综合/功能仿真/布图规划/布局布线/参数提取/版图后仿；FPGA开发流程：设计输入/功能仿真/逻辑综合/布局布线/时序仿真/生成下载文件；n代码风格ASIC：代码最简最省/减少门级数/底层RAM/乘法器/除法器自己设计等；FPGA：RAM/MUL/DPLL等可以直接使用，可大量使用FF等，时钟有专门的时钟BUF来驱动等；FPGA基础知识设计流程设计流程设计输入功能仿真综合优化布局布线时序仿真下载调试设计修改FPGA 的设计是一个迭代过程，主要有以上设计过程；FPGA基础知识n设计输入 FPGA设计主要有状态机输入、原理图、HDL语言等方式；HDL语言包括verilog、systemvl

13、og、vhdln功能仿真 验证设计时序是否符合要求；工具有modelsim、Activehdl、NC-Verilog/Vhdl、各厂家自带工具等调用模块行为仿真模型RTL代码testbench文件测试数据功能仿真FPGA基础知识n综合优化将设计翻译成门电路、FF、RAM、等功能单元连接的网表；综合工具有：synplify Pro、DC compile、各厂家自带工具等； RTL代码综合优化调用模块黑盒子EDIF网表HDL网表综合约束FPGA基础知识n布局布线 把综合得到的网表适配到FPGA器件中，并利用FPGA中布线资源完成各功能单元的连接； n时序仿真 将延时信息反注到网表中，再进行仿真，此时的仿真已接近电路的实际工作情况； n下载调试把生成的配置文件下载到FPGA中，进行实际的调试；FPGA基础知识n后仿真图示FPGA厂家工具时