FPGA的發(fā)展歷史

PLD簡(jiǎn)介

在過(guò)去的十年中，可編程邏輯器件（PLD）市場(chǎng)不斷增長(zhǎng)，對(duì)PLD的需求不斷增加。具有可編程特性且可編程的芯片稱為PLD。PLD也稱為現(xiàn)場(chǎng)可編程器件（FPD）。FPD用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯，用戶可以配置集成電路以實(shí)現(xiàn)不同的設(shè)計(jì)。這種集成電路的編程是通過(guò)使用EDA工具進(jìn)行特殊編程來(lái)完成的。

市場(chǎng)上推出的第一個(gè)可編程芯片是可編程只讀存儲(chǔ)器（PROM）。PROM有許多地址線和數(shù)據(jù)線。地址線用作邏輯電路輸入，數(shù)據(jù)線用作邏輯電路輸出，因?yàn)镻ROM的結(jié)構(gòu)效率低下，無(wú)法用于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字邏輯。20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)的器件是PLA，它具有兩級(jí)邏輯，用于實(shí)現(xiàn)小密度邏輯。在PLA進(jìn)化之后，可編程邏輯器件發(fā)生了真正的進(jìn)化。之后，SPLD、CPLD和FPGA在20世紀(jì)80年代早期發(fā)展起來(lái)。早期的可編程邏輯器件如圖9.1所示。

表9.2 PLD分類

PLD分類如表9.2所示。

以下是用于理解現(xiàn)場(chǎng)可編程設(shè)備的關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)。

PAL是一種密度相對(duì)較小的現(xiàn)場(chǎng)可編程器件(FPD)，它具有可編程和平面，然后是固定或平面，稱為可編程陣列邏輯(PAL)?？删幊踢壿嬯嚵?PLA)是一種密度相對(duì)較小的現(xiàn)場(chǎng)可編程器件(FPD)，它具有可編程和平面，然后是可編程或平面。PLA結(jié)構(gòu)有兩級(jí)邏輯，可在全定制芯片上使用。

任何類似PAL或PLA的結(jié)構(gòu)稱為簡(jiǎn)單可編程邏輯器件(SPLD)。SPLD由于具有良好的時(shí)序性能，被用于實(shí)現(xiàn)小型門計(jì)數(shù)狀態(tài)機(jī)。

復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)是指在同一芯片上由多個(gè)類似于SPLD的模塊組成的具有互連邏輯的結(jié)構(gòu)，稱為復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)。CPLD也稱為mega-PAL、Super-PLA或增強(qiáng)型PLD(EPLD)。在實(shí)際場(chǎng)景中，CPLD用于實(shí)現(xiàn)中等密度狀態(tài)機(jī)，因?yàn)榕cSPLD相比，CPLD具有更好的定時(shí)性能。CPLD結(jié)構(gòu)如圖9.2所示。

圖9.2復(fù)雜可編程邏輯器件系統(tǒng)框圖

圖9.3基本FPGA架構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)是由觸發(fā)器和邏輯塊等更多資源組成的可編程邏輯，用于實(shí)現(xiàn)高密度邏輯，被稱為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)。FPGA也稱為可編程ASIC，由可配置邏輯塊(CLB)、IO塊(IOB)和可編程互連組成?，F(xiàn)代FPGA甚至包括乘法器、RAM、DSP和處理器核心。帶有關(guān)鍵塊、邏輯塊、IO塊和可編程互連的FPGA如圖9.3所示。

互連現(xiàn)場(chǎng)可編程設(shè)備中的布線資源稱為互連。

可編程開(kāi)關(guān)用于將一條互連線連接到另一條互連線或?qū)⑦壿媺K連接到互連線的開(kāi)關(guān)稱為可編程開(kāi)關(guān)。

可配置邏輯塊(CLB)可配置用于所需組合和順序邏輯功能的邏輯塊稱為CLB。在FPGA上實(shí)現(xiàn)邏輯時(shí)，邏輯被分解為小密度邏輯塊并映射到多個(gè)CLB上。

邏輯密度FPGA中每單位面積的邏輯量稱為邏輯密度。

邏輯容量映射到單場(chǎng)可編程器件的邏輯量稱為邏輯容量。邏輯容量以門陣列中邏輯門的數(shù)量的形式給出。邏輯容量可以認(rèn)為是兩個(gè)輸入與非門或通用門的數(shù)量。

現(xiàn)場(chǎng)可編程設(shè)備的最大工作頻率是時(shí)序邏輯性能的度量。對(duì)于組合邏輯，設(shè)計(jì)中的最長(zhǎng)路徑?jīng)Q定了性能。

結(jié)構(gòu)化ASIC和FPGA設(shè)計(jì)的比較如表9.3所示。

表9.3結(jié)構(gòu)化ASIC與FPGA的比較

FPGA分類

現(xiàn)代FPGA被稱為可編程ASIC，用于各種應(yīng)用，包括ASIC SOC設(shè)計(jì)和原型設(shè)計(jì)。FPGA編程包括以下類型，本節(jié)將對(duì)此進(jìn)行討論。任何FPGA的主要編程類型有

基于SRAM的FPGA

市場(chǎng)上的大多數(shù)FPGA都基于SRAM技術(shù)。它們將配置位文件存儲(chǔ)在使用鎖存器設(shè)計(jì)的SRAM單元中。由于SRAM是易失性的，因此需要在啟動(dòng)時(shí)對(duì)其進(jìn)行配置。有兩種編程模式：主模式和從模式。SRAM存儲(chǔ)單元如圖9.4所示。

圖9.4 SRAM單元

在主模式下，F(xiàn)PGA從外部源讀取可配置數(shù)據(jù)。

在從模式下，F(xiàn)PGA通過(guò)使用外部主設(shè)備(如處理器)進(jìn)行配置。外部配置接口可以是JTAG(邊界掃描)。

基于FLASH的FPGA

在這種類型的FPGA中，F(xiàn)LASH用于存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)。因此，該FPGA的主要資源是FLASH。因此，這類FPGA的功耗較低，并且對(duì)輻射影響的耐受性較差。在基于SRAM的FPGA中，內(nèi)部FLASH僅在通電期間用于加載配置文件。FLASH中使用的浮柵晶體管如圖9.5所示。

圖9.5 FLASH中的浮柵晶體管

反熔絲FPGA

這些類型的FPGA僅用于編程一次，與前兩種類型的FPGA相比，它們有所不同。反熔絲與保險(xiǎn)絲相反，最初它們不導(dǎo)電，但可以燃燒以導(dǎo)電。

圖9.6反熔絲結(jié)構(gòu)

一旦對(duì)其進(jìn)行編程，就無(wú)法重新編程，因?yàn)槿紵娜劢z無(wú)法強(qiáng)制進(jìn)入初始狀態(tài)。如圖9.6所示。

FPGA構(gòu)建塊

以下是FPGA體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，本節(jié)對(duì)此進(jìn)行了描述。FPGA架構(gòu)如圖9.7所示。

可配置邏輯塊(CLB)，CLB由查找表(LUT)、多路復(fù)用器和寄存器組成?；赗AM的LUT用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯。CLB可編程實(shí)現(xiàn)多種邏輯功能。甚至CLB也用于存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

輸入-輸出塊(IOB)該塊用于控制設(shè)備內(nèi)部邏輯和IO引腳之間的數(shù)據(jù)流。每個(gè)IO用于支持三態(tài)控制的雙向數(shù)據(jù)流。幾乎有24種不同的IO標(biāo)準(zhǔn)，其中包括七種不同的特殊IO高性能標(biāo)準(zhǔn)。雙數(shù)據(jù)速率寄存器還具有數(shù)字控制阻抗功能。

塊RAM(BRAM)用于存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，以雙端口RAM的形式提供。例如，18 Kbit雙端口塊RAM。BRAM可以由多個(gè)塊組成，具體取決于設(shè)備。

數(shù)字時(shí)鐘管理器(DCM)它們用于時(shí)鐘管理，并提供完全校準(zhǔn)的數(shù)字時(shí)鐘解決方案。它們用于均勻的時(shí)鐘分布、時(shí)鐘信號(hào)的延遲、對(duì)具有均勻時(shí)鐘偏移的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行乘法或除法。

乘法器專用乘法器塊用于執(zhí)行兩個(gè)“n”位數(shù)字的乘法。根據(jù)設(shè)備的不同，“n”可能會(huì)有所不同。如果n=18，則專用塊用于執(zhí)行兩個(gè)18位數(shù)字的乘法。

DSP模塊它們是用于實(shí)現(xiàn)濾波、數(shù)據(jù)處理等DSP功能的嵌入式DSP模塊。這些模塊用于提高FPGA的整體性能，同時(shí)為DSP應(yīng)用程序處理大量數(shù)據(jù)。

圖9.7 FPGA架構(gòu)(源Xilinx)

FPGA設(shè)計(jì)流程

FPGA中仿真概念

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Verilog時(shí)序邏輯硬件建模設(shè)計(jì)(三)同步計(jì)數(shù)器

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Verilog 里面，always，assign和always@(*)區(qū)別

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審核編輯：湯梓紅