FPGA工作原理與簡(jiǎn)介
如前所述，F(xiàn)PGA是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為ASIC領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，即解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路有限的缺點(diǎn)。
由于FPGA需要被反復(fù)燒寫，它實(shí)現(xiàn)組合邏輯的基本結(jié)構(gòu)不可能像ASIC那樣通過(guò)固定的與非門來(lái)完成，而只能采用一種易于反復(fù)配置的結(jié)構(gòu)。查找表可以很好地滿足這一要求，目前主流FPGA都采用了基于SRAM工藝的查找表結(jié)構(gòu)，也有一些軍品和宇航級(jí)FPGA采用Flash或者熔絲與反熔絲工藝的查找表結(jié)構(gòu)。通過(guò)燒寫文件改變查找表內(nèi)容的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA的重復(fù)配置。
根據(jù)數(shù)字電路的基本知識(shí)可以知道，對(duì)于一個(gè)n輸入的邏輯運(yùn)算，不管是與或非運(yùn)算還是異或運(yùn)算等等，最多只可能存在2n種結(jié)果。所以如果事先將相應(yīng)的結(jié)果存放于一個(gè)存貯單元，就相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了與非門電路的功能。FPGA的原理也是如此，它通過(guò)燒寫文件去配置查找表的內(nèi)容，從而在相同的電路情況下實(shí)現(xiàn)了不同的邏輯功能。
查找表（Look-Up-Table）簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)UT，LUT本質(zhì)上就是一個(gè)RAM。目前FPGA中多使用4輸入的LUT，所以每一個(gè)LUT可以看成一個(gè)有4位地址線的 的RAM。 當(dāng)用戶通過(guò)原理圖或HDL語(yǔ)言描述了一個(gè)邏輯電路以后，PLD/FPGA開發(fā)軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算邏輯電路的所有可能結(jié)果，并把真值表（即結(jié)果）事先寫入RAM，這樣，每輸入一個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，然后輸出即可。
下面給出一個(gè)4與門電路的例子來(lái)說(shuō)明LUT實(shí)現(xiàn)邏輯功能的原理。
例1-1：給出一個(gè)使用LUT實(shí)現(xiàn)4輸入與門電路的真值表。
表1-1 4輸入與門的真值表
從中可以看到，LUT具有和邏輯電路相同的功能。實(shí)際上，LUT具有更快的執(zhí)行速度和更大的規(guī)模。
由于基于LUT的FPGA具有很高的集成度，其器件密度從數(shù)萬(wàn)門到數(shù)千萬(wàn)門不等，可以完成極其復(fù)雜的時(shí)序與邏輯組合邏輯電路功能，所以適用于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域。其組成部分主要有可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、內(nèi)嵌SRAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元、內(nèi)嵌專用單元等，主要設(shè)計(jì)和生產(chǎn)廠家有Xilinx、Altera、Lattice、Actel、Atmel和QuickLogic等公司，其中最大的是Xilinx、Altera、Lattice三家。
如前所述，F(xiàn)PGA是由存放在片內(nèi)的RAM來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)RAM進(jìn)行編程。用戶可根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。FPGA有如下幾種配置模式：
并行模式：并行PROM、Flash配置FPGA；
主從模式：一片PROM配置多片F(xiàn)PGA；
串行模式：串行PROM配置FPGA；
外設(shè)模式：將FPGA作為微處理器的外設(shè)，由微處理器對(duì)其編程。
目前，F(xiàn)PGA市場(chǎng)占有率最高的兩大公司Xilinx和Altera生產(chǎn)的FPGA都是基于SRAM工藝的，需要在使用時(shí)外接一個(gè)片外存儲(chǔ)器以保存程序。上電時(shí)，F(xiàn)PGA將外部存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)RAM，完成配置后，進(jìn)入工作狀態(tài)；掉電后FPGA恢復(fù)為白片，內(nèi)部邏輯消失。這樣FPGA不僅能反復(fù)使用，還無(wú)需專門的FPGA編程器，只需通用的EPROM、PROM編程器即可。Actel、QuickLogic等公司還提供反熔絲技術(shù)的FPGA，只能下載一次，具有抗輻射、耐高低溫、低功耗和速度快等優(yōu)點(diǎn)，在軍品和航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用較多，但這種FPGA不能重復(fù)擦寫，開發(fā)初期比較麻煩，費(fèi)用也比較昂貴。Lattice是ISP技術(shù)的發(fā)明者，在小規(guī)模PLD應(yīng)用上有一定的特色。早期的Xilinx產(chǎn)品一般不涉及軍品和宇航級(jí)市場(chǎng)，但目前已經(jīng)有Q Pro-R等多款產(chǎn)品進(jìn)入該類領(lǐng)域。
1.2.2 FPGA芯片結(jié)構(gòu)
目前主流的FPGA仍是基于查找表技術(shù)的，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)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。如圖1-1所示（注：圖1-1只是一個(gè)示意圖，實(shí)際上每一個(gè)系列的FPGA都有其相應(yīng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)），F(xiàn)PGA芯片主要由6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、豐富的布線資源、內(nèi)嵌的底層功能單元和內(nèi)嵌專用硬件模塊。
圖1-1 FPGA芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)
每個(gè)模塊的功能如下：
1． 可編程輸入輸出單元（IOB）
可編程輸入/輸出單元簡(jiǎn)稱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(duì)輸入/輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)與匹配要求，其示意結(jié)構(gòu)如圖1-2所示。FPGA內(nèi)的I/O按組分類，每組都能夠獨(dú)立地支持不同的I/O標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)軟件的靈活配置，可適配不同的電氣標(biāo)準(zhǔn)與I/O物理特性，可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流的大小，可以改變上、下拉電阻。目前，I/O口的頻率也越來(lái)越高，一些高端的FPGA通過(guò)DDR寄存器技術(shù)可以支持高達(dá)2Gbps的數(shù)據(jù)速率。
圖1-2 典型的IOB內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
外部輸入信號(hào)可以通過(guò)IOB模塊的存儲(chǔ)單元輸入到FPGA的內(nèi)部，也可以直接輸入FPGA 內(nèi)部。當(dāng)外部輸入信號(hào)經(jīng)過(guò)IOB模塊的存儲(chǔ)單元輸入到FPGA內(nèi)部時(shí)，其保持時(shí)間（Hold Time）的要求可以降低，通常默認(rèn)為0。
為了便于管理和適應(yīng)多種電器標(biāo)準(zhǔn)，F(xiàn)PGA的IOB被劃分為若干個(gè)組（bank），每個(gè)bank的接口標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)的端口才能連接在一起，VCCO電壓相同是接口標(biāo)準(zhǔn)的基本條件。
2． 可配置邏輯塊（CLB）
CLB是FPGA內(nèi)的基本邏輯單元。CLB的實(shí)際數(shù)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)可配置開關(guān)矩陣，此矩陣由4或6個(gè)輸入、一些選型電路（多路復(fù)用器等）和觸發(fā)器組成。 開關(guān)矩陣是高度靈活的，可以對(duì)其進(jìn)行配置以便處理組合邏輯、移位寄存器或RAM。在Xilinx公司的FPGA器件中，CLB由多個(gè)（一般為4個(gè)或2個(gè)）相同的Slice和附加邏輯構(gòu)成，如圖1-3所示。每個(gè)CLB模塊不僅可以用于實(shí)現(xiàn)組合邏輯、時(shí)序邏輯，還可以配置為分布式RAM和分布式ROM。
圖1-3 典型的CLB結(jié)構(gòu)示意圖
Slice是Xilinx公司定義的基本邏輯單位，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-4所示，一個(gè)Slice由兩個(gè)4輸入的函數(shù)、進(jìn)位邏輯、算術(shù)邏輯、存儲(chǔ)邏輯和函數(shù)復(fù)用器組成。算術(shù)邏輯包括一個(gè)異或門（XORG）和一個(gè)專用與門（MULTAND），一個(gè)異或門可以使一個(gè)Slice實(shí)現(xiàn)2bit全加操作，專用與門用于提高乘法器的效率；進(jìn)位邏輯由專用進(jìn)位信號(hào)和函數(shù)復(fù)用器（MUXC）組成，用于實(shí)現(xiàn)快速的算術(shù)加減法操作；4輸入函數(shù)發(fā)生器用于實(shí)現(xiàn)4輸入LUT、分布式RAM或16比特移位寄存器（Virtex-5系列芯片的Slice中的兩個(gè)輸入函數(shù)為6輸入，可以實(shí)現(xiàn)6輸入LUT或64比特移位寄存器）；進(jìn)位邏輯包括兩條快速進(jìn)位鏈，用于提高CLB模塊的處理速度。
圖1-4 典型的4輸入Slice結(jié)構(gòu)示意圖
3． 數(shù)字時(shí)鐘管理模塊（DCM）
業(yè)內(nèi)大多數(shù)FPGA均提供數(shù)字時(shí)鐘管理（Xilinx的全部FPGA均具有這種特性）。Xilinx推出最先進(jìn)的FPGA提供數(shù)字時(shí)鐘管理和相位環(huán)路鎖定。相位環(huán)路鎖定能夠提供精確的時(shí)鐘綜合，且能夠降低抖動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)過(guò)濾功能。
4． 嵌入式塊RAM（BRAM）
大多數(shù)FPGA都具有內(nèi)嵌的塊RAM，這大大拓展了FPGA的應(yīng)用范圍和靈活性。塊RAM可被配置為單端口RAM、雙端口RAM、內(nèi)容地址存儲(chǔ)器（CAM）以及FIFO等常用存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。RAM、FIFO是比較普及的概念，在此就不冗述。CAM存儲(chǔ)器在其內(nèi)部的每個(gè)存儲(chǔ)單元中都有一個(gè)比較邏輯，寫入CAM中的數(shù)據(jù)會(huì)和內(nèi)部的每一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，并返回與端口數(shù)據(jù)相同的所有數(shù)據(jù)的地址，因而在路由的地址交換器中有廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)。在實(shí)際應(yīng)用中，芯片內(nèi)部塊RAM的數(shù)量也是選擇芯片的一個(gè)重要因素。
單片塊RAM的容量為18k比特，即位寬為18比特、深度為1024，可以根據(jù)需要改變其位寬和深度，但要滿足兩個(gè)原則：首先，修改后的容量（位寬 深度）不能大于18k比特；其次，位寬最大不能超過(guò)36比特。當(dāng)然，可以將多片塊RAM級(jí)聯(lián)起來(lái)形成更大的RAM，此時(shí)只受限于芯片內(nèi)塊RAM的數(shù)量，而不再受上面兩條原則約束。
5． 豐富的布線資源
布線資源連通FPGA內(nèi)部的所有單元，而連線的長(zhǎng)度和工藝決定著信號(hào)在連線上的驅(qū)動(dòng)能力和傳輸速度。FPGA芯片內(nèi)部有著豐富的布線資源，根據(jù)工藝、長(zhǎng)度、寬度和分布位置的不同而劃分為４類不同的類別。第一類是全局布線資源，用于芯片內(nèi)部全局時(shí)鐘和全局復(fù)位/置位的布線；第二類是長(zhǎng)線資源，用以完成芯片Bank間的高速信號(hào)和第二全局時(shí)鐘信號(hào)的布線；第三類是短線資源，用于完成基本邏輯單元之間的邏輯互連和布線；第四類是分布式的布線資源，用于專有時(shí)鐘、復(fù)位等控制信號(hào)線。
在實(shí)際中設(shè)計(jì)者不需要直接選擇布線資源，布局布線器可自動(dòng)地根據(jù)輸入邏輯網(wǎng)表的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和約束條件選擇布線資源來(lái)連通各個(gè)模塊單元。從本質(zhì)上講，布線資源的使用方法和設(shè)計(jì)的結(jié)果有密切、直接的關(guān)系。
6． 底層內(nèi)嵌功能單元
內(nèi)嵌功能模塊主要指DLL（Delay Locked Loop）、PLL（Phase Locked Loop）、DSP和CPU等軟處理核（Soft Core）?，F(xiàn)在越來(lái)越豐富的內(nèi)嵌功能單元，使得單片F(xiàn)PGA成為了系統(tǒng)級(jí)的設(shè)計(jì)工具，使其具備了軟硬件聯(lián)合設(shè)計(jì)的能力，逐步向SOC平臺(tái)過(guò)渡。
DLL和PLL具有類似的功能，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(diào)整和移相等功能。Xilinx公司生產(chǎn)的芯片上集成了DLL，Altera公司的芯片集成了PLL，Lattice公司的新型芯片上同時(shí)集成了PLL和DLL。PLL 和DLL可以通過(guò)IP核生成的工具方便地進(jìn)行管理和配置。DLL的結(jié)構(gòu)如圖1-5所示。
圖1-5 典型的DLL模塊示意圖
7. 內(nèi)嵌專用硬核
內(nèi)嵌專用硬核是相對(duì)底層嵌入的軟核而言的，指FPGA處理能力強(qiáng)大的硬核（Hard Core），等效于ASIC電路。為了提高FPGA性能，芯片生產(chǎn)商在芯片內(nèi)部集成了一些專用的硬核。例如：為了提高FPGA的乘法速度，主流的FPGA中都集成了專用乘法器；為了適用通信總線與接口標(biāo)準(zhǔn)，很多高端的FPGA內(nèi)部都集成了串并收發(fā)器（SERDES），可以達(dá)到數(shù)十Gbps的收發(fā)速度。
Xilinx公司的高端產(chǎn)品不僅集成了Power PC系列CPU，還內(nèi)嵌了DSP Core模塊，其相應(yīng)的系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)工具是EDK和Platform Studio，并依此提出了片上系統(tǒng)（System on Chip）的概念。通過(guò)PowerPC、Miroblaze、Picoblaze等平臺(tái)，能夠開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的DSP處理器及其相關(guān)應(yīng)用，達(dá)到SOC的開發(fā)目的。
1.2.3 軟核、硬核以及固核的概念
IP（Intelligent Property）核是具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)核的集成電路芯核總稱，是經(jīng)過(guò)反復(fù)驗(yàn)證過(guò)的、具有特定功能的宏模塊，與芯片制造工藝無(wú)關(guān)，可以移植到不同的半導(dǎo)體工藝中。到了SOC階段，IP核設(shè)計(jì)已成為ASIC電路設(shè)計(jì)公司和FPGA提供商的重要任務(wù)，也是其實(shí)力體現(xiàn)。對(duì)于FPGA開發(fā)軟件，其提供的IP核越豐富，用戶的設(shè)計(jì)就越方便，其市場(chǎng)占用率就越高。目前，IP核已經(jīng)變成系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本單元，并作為獨(dú)立設(shè)計(jì)成果被交換、轉(zhuǎn)讓和銷售。
從IP核的提供方式上，通常將其分為軟核、硬核和固核這3類。從完成IP核所花費(fèi)的成本來(lái)講，硬核代價(jià)最大；從使用靈活性來(lái)講，軟核的可復(fù)用使用性最高。
1． 軟核
軟核在EDA設(shè)計(jì)領(lǐng)域指的是綜合之前的寄存器傳輸級(jí)（RTL）模型；具體在FPGA設(shè)計(jì)中指的是對(duì)電路的硬件語(yǔ)言描述，包括邏輯描述、網(wǎng)表和幫助文檔等。軟核只經(jīng)過(guò)功能仿真，需要經(jīng)過(guò)綜合以及布局布線才能使用。其優(yōu)點(diǎn)是靈活性高、可移植性強(qiáng)，允許用戶自配置；缺點(diǎn)是對(duì)模塊的預(yù)測(cè)性較低，在后續(xù)設(shè)計(jì)中存在發(fā)生錯(cuò)誤的可能性，有一定的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。軟核是IP核應(yīng)用最廣泛的形式。
2． 固核
固核在EDA設(shè)計(jì)領(lǐng)域指的是帶有平面規(guī)劃信息的網(wǎng)表；具體在FPGA設(shè)計(jì)中可以看做帶有布局規(guī)劃的軟核，通常以RTL代碼和對(duì)應(yīng)具體工藝網(wǎng)表的混合形式提供。將RTL描述結(jié)合具體標(biāo)準(zhǔn)單元庫(kù)進(jìn)行綜合優(yōu)化設(shè)計(jì)，形成門級(jí)網(wǎng)表，再通過(guò)布局布線工具即可使用。和軟核相比，固核的設(shè)計(jì)靈活性稍差，但在可靠性上有較大提高。目前，固核也是IP核的主流形式之一。
3． 硬核
硬核在EDA設(shè)計(jì)領(lǐng)域指經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)版圖；具體在FPGA設(shè)計(jì)中指布局和工藝固定、經(jīng)過(guò)前端和后端驗(yàn)證的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員不能對(duì)其修改。不能修改的原因有兩個(gè)：首先是系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)各個(gè)模塊的時(shí)序要求很嚴(yán)格，不允許打亂已有的物理版圖；其次是保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的要求，不允許設(shè)計(jì)人員對(duì)其有任何改動(dòng)。IP硬核的不許修改特點(diǎn)使其復(fù)用有一定的困難，因此只能用于某些特定應(yīng)用，使用范圍較窄。