理解FPGA內(nèi)部結構所需的基礎知識

• 邏輯電路基礎
• 邏輯/布爾代數(shù)
• 真值表
• 組合邏輯電路
• 時序邏輯電路
• 同步電路基礎
• FF（觸發(fā)器）
• 建立時間保持時間
• 時序分析（STA）
• 單相時鐘同步電路

注：

1、fpga是一種可通過重新編程來實現(xiàn)用戶所需要的邏輯電路的半導體器件。

2、構成數(shù)字邏輯最重要的部件是組合邏輯和時序邏輯，所以作為實現(xiàn)數(shù)字邏輯功能的FPGA的最重要組成部分就是組合邏輯和時序邏輯電路。

3、Flip Flop是一種只能存儲1個二進制位的存儲單元，在時鐘邊沿將輸入信號送至輸出端。

4、為了正確的從輸入讀取數(shù)據(jù)，并正確的將數(shù)據(jù)輸出，F(xiàn)PGA內(nèi)所有FF都要遵守建立和保持時間（理解D觸發(fā)器的內(nèi)部電路可以更好地理解建立時間和保持時間）。

5、FPGA的性能評估主要采用靜態(tài)時序分析（STA），時序分析必須檢查所有路徑上邏輯延遲和布線延遲的時序裕量，確保滿足建立和保持時間約束。

6、單相時鐘同步：同一時鐘、同一邊沿、同步動作的電路類型

有以上數(shù)字電路基礎，對理解FPGA底層結構很有幫助，不理解也沒有太大關系，F(xiàn)PGA開發(fā)不需要理解其底層詳細架構，但肯定有助于理解和優(yōu)化電路設計。

FPGA到底是什么

FPGA（Field Programmable Gate Array）：

• 門陣列
• 可”編程”
• 現(xiàn)場

FPGA：作為一種包含大量邏輯門陣列的芯片，可以在使用現(xiàn)場通過編程改變自身的硬件邏輯，并在理論上可以實現(xiàn)任何數(shù)字電路的功能。

注釋：

1、邏輯門是數(shù)字電路的基本單元。

2、邏輯門進行排列組合-->編程改變其邏輯結構-->不同功能的芯片。

3、FPGA可以通過在現(xiàn)場進行重新配置來實現(xiàn)邏輯的修改、優(yōu)化和調整，而無需更改硬件電路設計。這種靈活性使得FPGA在各種應用中具有廣泛的應用前景，尤其是在需要快速開發(fā)和驗證新硬件系統(tǒng)的應用場景中。

如上圖所示，最基本的邏輯門經(jīng)過組合后構成一個帶進位的加法器。

先抽象理解FPGA可構成任何數(shù)字電路，基于什么原理構成，請繼續(xù)學習下文。

FPGA的構成要素

• 邏輯要素（可配置邏輯塊-CLB）
• 輸入/輸出要素（IO塊）
• 布線要素（開關塊、連接塊、布線通道）
• 其他要素（存儲器塊、PLL等硬核）

島形結構

注：

1、前三種為主要的三大要素。

2、邏輯塊利用查找表和數(shù)據(jù)選擇器實現(xiàn)任意邏輯函數(shù)，不同的FPGA供應商叫法不同，xilinx：CLB，altera：LAB。（下文有詳細介紹）。

3、IO塊負責器件的I/O引腳與邏輯塊之間的接口部分（除專用電源、時鐘外）。

4、布線結構類型主流島型結構，開關塊位于橫向和縱向布線通道的交叉處，通過可編程開關來控制布線路徑。連接塊是連接布線通道和邏輯塊的輸入/輸出。需要對開關數(shù)量和連線自由度進行權衡。

5、其他要素主要包含F(xiàn)PGA內(nèi)部嵌入的各種硬核資源。

FPGA—邏輯塊之基本要素

可配置邏輯塊：xilinx稱為CLB（configurable logic block），Altera稱為LAB（logic array block）， CLB是FPGA內(nèi)的基本邏輯單元，是實現(xiàn)FPGA邏輯的基礎。主要包括以下基本要素：

• 實現(xiàn)組合邏輯電路的查找表
• 實現(xiàn)時序電路的觸發(fā)器
• 數(shù)據(jù)選擇器在存儲單元M0的控制下決定直接輸出查找表的值還是輸出觸發(fā)器中存的值
  

注：

1、查找表：實現(xiàn)組合邏輯。

2、FPGA中多使用4/6輸入的LUT，所以每一個LUT可以看成一個有4位地址線的16x1的RAM（LUT詳細說明見下文）

3、當用戶描述了一個邏輯電路以后，F(xiàn)PGA開發(fā)軟件會自動計算邏輯電路的所有可能的結果，并把結果事先寫入RAM。這樣，每輸入一個信號進行邏輯運算就等于輸入一個地址進行查表，找出地址對應的內(nèi)容，然后輸出即可。（當看完下文的LUT，如果能理解本段話，說明你已經(jīng)理解了FPGA的本質）

主流FPGA的邏輯塊除最基本邏輯要素外，還有其他附加邏輯，比如進位、算術、移位、存儲等。結構上包含多個基本邏輯要素，如7系列xilinx，一個CLB包含2個slice，一個slice包含4個LUTs。

FPGA—邏輯塊之LUT

LUT（Look Up Table）：通過將邏輯函數(shù)的真值表存放在少量內(nèi)存單元中來實現(xiàn)組合邏輯電路功能的模塊。也可以簡單理解為實現(xiàn)真值表所定義的功能的電路稱為查找表。LUT可以實現(xiàn)任意的布爾邏輯功能。

• 內(nèi)存單元：主流SRAM
• 輸入可看作為SRAM地址信號
• 輸出可看作為該地址內(nèi)存單元的1位數(shù)據(jù)

邏輯功能根據(jù)需要被重新編程寫在SRAM里，從而實現(xiàn)不同的邏輯功能

注：

1、上圖假設為一個實際4輸入1輸出的邏輯電路，對應LUT的實現(xiàn)方式。

2、FPGA中多使用4/6輸入的LUT，所以每一個LUT可以看成一個有4位地址線的16x1的RAM。當用戶描述了一個邏輯電路以后，F(xiàn)PGA開發(fā)軟件會自動計算邏輯電路的所有可能的結果，并把結果事先寫入RAM。這樣，每輸入一個信號進行邏輯運算就等于輸入一個地址進行查表，找出地址對應的內(nèi)容，然后輸出即可。

3、亦可總結為：在LUT中，輸入數(shù)據(jù)通過一組可編程的存儲單元（通常為SRAM）進行存儲，并在邏輯運算時被查找

FPGA內(nèi)部資源示例

• 除三大構成要素外，還有完整的時鐘管理，嵌入式塊RAM，內(nèi)嵌的底層功能單元和專用硬件模塊等。
• 主流FPGA逐漸變得越來越復雜，但仍是基于查找表技術，只是遠遠超出了先前版本的基本性能。
  
  xilinx V7為例說明

注：

1、FPGA芯片內(nèi)部包含多種硬核資源，這些資源可以實現(xiàn)各種不同的功能和任務，如上圖所示：

數(shù)字信號處理 (DSP) 器件：可實現(xiàn)高速數(shù)字信號處理、濾波器和調制/解調器等應用。

快速片上存儲器（Block RAM）：可以作為存儲器或FIFO使用。

數(shù)字時鐘管理器（MMCM）：可用于時鐘的生成、延遲、相位調整和頻率合成。

通用串行收發(fā)器（Serdes）：用于實現(xiàn)高速串行通信，如PCI Express、SATA、USB3.0等。

2、隨著不同用戶的需求，最新工藝的變化等，F(xiàn)PGA芯片逐漸變得越來越復雜

FPGA—怎么設置工作狀態(tài)

FPGA是由存放在片內(nèi)的RAM來設置其工作狀態(tài)的，因此工作時需要對片內(nèi)RAM進行編程

配置模式主要包含兩種：

• 主模式：
• 自加載FPGA配置模式
• FPGA外部非易失性存儲
• FPGA控制配置過程

以xilinx 7系列為例，SPI flash存儲位流較為常用

• 從模式
• 外部控制加載（處理器、MCU等）
• 位流可隨意存放

外部處理器控制加載位流

注：

1、FPGA市場占有率最高的兩大公司Xilinx和Altera（目前已分別被AMD和intel收購）生產(chǎn)的FPGA都是基于SRAM工藝的，需要在使用時外接一個片外存儲器以保存程序。上電時，F(xiàn)PGA將外部存儲器中的數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)RAM，完成配置后，進入工作狀態(tài)；掉電后FPGA恢復為白片，內(nèi)部邏輯消失。

FPGA怎么選型

1. 確定設計需求：首先需要明確設計的需求，包括設計功能、性能和時序要求等，這將對FPGA資源的選擇和使用產(chǎn)生重要影響。
2. 估算資源需求：根據(jù)設計需求，可以通過計算和仿真等手段估算所需的FPGA資源，如LUT、FF、RAM、DSP等，這些資源可以通過FPGA廠商提供的設計工具進行估算。
3. 分析FPGA資源：選擇合適的FPGA芯片后，需要分析FPGA資源的規(guī)格書，了解FPGA內(nèi)部的硬核資源數(shù)量和性能，以及可用于自定義邏輯的邏輯單元數(shù)量等信息。
4. 進行綜合和布局布線：在使用FPGA設計工具進行綜合和布局布線后，可以得到FPGA資源利用率的估計，以及所需資源與實際可用資源的比較，通過這個比較可以初步評估FPGA資源是否足夠。
5. 進行仿真和驗證：在綜合和布局布線后，需要進行邏輯仿真和時序驗證，以確保FPGA資源的使用是正確和穩(wěn)定的。

總的來說，評估FPGA資源是否足夠需要考慮多個因素，包括設計需求、FPGA資源規(guī)格、綜合和布局布線結果以及仿真驗證等，通過這些手段可以進行初步的資源評估和調整。