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FPGA基础

yummy头像 yummy FPGA 2022-04-12 16:04:37 0 170
导读:FPGA是什么?FPGA(FieldProgrammableGateArray)是在PAL(可编程阵列逻辑)、GAL(通用阵列逻辑)等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它...

FPGA是什么?

FPGA(Field Programmable Gate Array) 是在PAL(可编程阵列逻辑)、GAL(通用阵列逻辑)等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的不足。

FPGA的优势?

灵活性

可重编程、可定制;易于维护,方便移植、升级或扩展;降低NRE(一次性工程费用)成本,加速产品上市时间;支持丰富的外设接口,可根据需求配置;

并行性

更快的速度,更高的带宽;满足实时处理的要求。

集成性

更多的接口和协议支持,可将各种端接(消除信号反射的一种方式)匹配元件整合到器件内部,有效降低BOM(物料清单)成本;单片机解决方案,可以代替很多数字芯片;减少板级走线,降低布局布线难度。

FPGA 的基本结构

可编程输入输出单元、可配置逻辑块、数字时钟管理模块、嵌入式RAM、布线资源、内嵌专用硬核、底层内嵌功能单元。

CycloneIV的器件资源

逻辑单元LE

嵌入式存储资源(embedded memory)

嵌入式乘法器(embedded multipliers)

通用锁相环资源PLL

丰富的用户IO(user I/O pins)

全局时钟网络

FPGA工作原理

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个概念,内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输入输出模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。

SoC(System on Chip)片上系统,将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器集成在一个芯片上。

SOPC(System on Programmable Chip)可编程片上系统

FPGA如何配置

分为两类:基于SRAM和基于非易失性的。前者使用外部存储器来配置FPGA内的SRAM后者只配置一次。Lattice和Actel反熔丝的非易失性配置技术,主要优点是系统设计更加简单、不需要外部存储器和配置控制器、功耗低、成本低和FPGA配置时间更快,缺点是配置是固定的。

大多数现代FPGA都是基于SRAM,每个FPGA上电后或在后续的FPGA配置期间,从外部非易失性存储器中读取比特流,由配置控制器处理,并加载到内部配置SRAM中,SRAM保持了配置逻辑、IO、嵌入式存储器、布线、时钟、收发器和其他FPGA原语等所有的设计信息。

AS(主动串行模式)

烧到FPGA配置芯片里保存,FPGA每次上电时,作为控制器从配置器件EPCS主动发起读取数据信号,从而把EPCS的数据读入FPGA中,实现FPGA的编程。该方式适用于不需要经常升级的场合。

PS(被动串行模式)

EPCS作为控制器件,把FPGA作为存储器,把数据写入FPGA中,实现对FPGA的编程,可以采用微控制器(单片机、RAM等)或者CPLD,该模式实现对FPGA实现在线可编程,升级方便。

JTAG

直接烧到FPGA中,由于是SRAM,断电后要重烧,适用于调试。

FPGA设计流程

  1. 电路功能设计

  2. 设计输入

  3. 功能仿真

  4. 综合

  5. 综合后仿真

  6. 实现布局布线

  7. 时序仿真与验证

  8. 板级仿真与验证

  9. 芯片编程与调试


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