FPGA学习之基本结构

2023-08-24 19:03:28

如何学习FPGA中提到第一步：学习、了解FPGA结构，FPGA到底是什么东西，芯片里面有什么，不要开始就拿个开发板照着别人的东西去编程。既然要开始学习FPGA，那么就应该从其基本结构开始。以下内容是我学习过程中的整理的一些东西。主要来自：Xilinx中文网站，博客LAY Trust Jesus，博文FPGA学习笔记，博文FPGA基本结构

1.可编程逻辑器件

从PLD的发展历程来看，按照结构区分，前后共有4种可编程逻辑器件类型：PLA、PAL、CPLD和FPGA。PLA——PAL——CPLD是继承的关系，然而FPGA是相对独立的，采用了截然不同的设计方法。

复杂可编程逻辑器件 (CPLD )由完全可编程与/或阵列以及宏单元库构成。与/或阵列可重编程，能够执行众多逻辑功能。宏单元是执行组合逻辑或时序逻辑的功能块，同时还提供了真值或补码输出和以不同的路径反馈等更高灵活性。CPLD的块结构如下所示

FPGA是由通过可编程互连连接的可配置逻辑块 (CLB) 矩阵构成的可编程半导体器件。相对于专为特定设计定制构建的专用集成电路 (ASIC)而言，FPGA 能通过编程来满足应用和功能要求。虽然市面上也有一次性可编程 (OTP) FPGA，但绝大多数是基于 SRAM 的类型，可随着设计的演化进行重编程。

CPLD分解组合逻辑的功能很强，一个宏单元就可以分解十几个甚至20－30多个组合逻辑输入。而FPGA的一个LUT只能处理4输入的组合逻辑，因此，PLD适合用于设计译码等复杂组合逻辑。但FPGA的制造工艺确定了FPGA芯片中包含的LUT和触发器的数量非常多，往往都是几千上万，PLD一般只能做到512个逻辑单元，而且如果用芯片价格除以逻辑单元数量，FPGA的平均逻辑单元成本大大低于PLD。所以如果设计中使用到大量触发器，例如设计一个复杂的时序逻辑，那么使用FPGA就是一个很好选择。

2.FPGA和ASIC

3.FPGA结构及相关知识

SRAM

SRAM是一种可编程技术，与之类似的还有Flash/E2PROM 编程技术，反熔丝编程技术（军品和宇航级可能会用）。在FPGA中，SRAM是主流。

最基本的5管SRAM单元结构如图所示，通过传输管控制存储信息的读写。当传输管导通时，SRAM单元内存储的信息可由数据端读取或改写；当传输管截止时，存储的信息被首尾相连的两个反相器锁定，由Q和Q'端输出。理论上，SARM单元可被配置无数次。

FPGA中的SRAM单元主要实现以下功能：作为多路开关、交叉开关、互连通道等可编程结构的控制端，对信号的传输路径进行编程；对片内相对独立的逻辑功能模块(如可编程触发器、用户可编程I/O)进行配置；作为查找表(LookUp-Table，LUT)的存储单元，用来实现FPGA的逻辑功能；使用SRAM存储阵列作为嵌入式存储器，实现复杂的数字信号处理和存储功能。

SRAM的缺点主要在于断电后信息丢失，上电后需要重新配置。这个过程通过外部存储进行，信息可能会被截取。同时，传输管是非理想的。

CLB

CLB 是 FPGA 的基本逻辑单元。实际数量和特性会依器件的不同而改变，但是每个 CLB 都包含一个由 4 或 6 个输入、一些选择电路（多路复用器等）和触发器组成的可配置开关矩阵。开关矩阵具有高度的灵活性，经配置可以处理组合型逻辑、移位寄存器或 RAM。

CLB由Slices组成，Slices包含LUT，触发器和相关逻辑。LUT即查找表本质上可以看成是一个RAM，对应于实现的不同逻辑功能，LUT有相应的输入地址和存储的数值。CLB可以配置为相应的逻辑模块，也可以用来构成分布式RAM和ROM。

IOB

目前的 FPGA 可支持许多种 I/O 标准，因而为您的系统提供了理想的接口桥接。FPGA 内的 I/O 按 bank 分组 (见下图) ，每个 bank 能独立支持不同的 I/O 标准。目前最先进的 FPGA 提供了十多个 I/O bank，能够提供灵活的 I/O 支持。

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，其示意结构如下图所示。

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。

互连

CLB 提供了逻辑性能，灵活的互连布线则负责在 CLB 和 I/O 之间传递信号。布线有几种类型，从设计用于专门实现 CLB 互连、到器件内的高速水平和垂直长线、再到时钟与其它全局信号的全局低歪斜布线。除非另行说明，否则设计软件会将互连布线任务隐藏起来，用户根本看不到，从而大幅降低了设计复杂性。也就是说这个基本不用管。