FPGA基础

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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