fpga介绍_fpga芯片系统结构图

目前主流的FPGA仍是基于查找表技术的，已经远远超出了先前版本的基本性能，并且整合了常用功能（如RAM、时钟管理和DSP）的硬核（ASIC型）模块。FPGA芯片主要由7部分完成，分别为：可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入块式RAM、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。

fpga芯片系统结构图

1． 可编程输入输出单元（IOB）

可编程输入/ 输出单元简称I/O 单元，是芯片与外界电路的接口部分，完成不同电气特性下对输入/ 输出信号的驱动与匹配要求，其示意结构如下图 所示。FPGA 内的I/O 按组分类，每组都能够独立地支持不同的I/O标准。通过软件的灵活配置，可适配不同的电气标准与I/O 物理特性，可以调整驱动电流的大小，可以改变上、下拉电阻。目前，I/O 口的频率也越来越高，一些高端的FPGA 通过DDR 寄存器技术可以支持高达2Gbps 的数据速率。

IOB内部结构

外部输入信号可以通过IOB 模块的存储单元输入到FPGA 的内部，也可以直接输入FPGA 内部。当外部输入信号经过IOB 模块的存储单元输入到FPGA 内部时，其保持时间（Hold Time） 的要求可以降低，通常默认为0。为了便于管理和适应多种电器标准，FPGA 的IOB 被划分为若干个组（bank），每个bank 的接口标准由其接口电压VCCO 决定，一个bank 只能有一种VCCO，但不同bank 的VCCO 可以不同。只有相同电气标准的端口才能连接在一起，VCCO 电压相同是接口标准的基本条件。

2.基本可编程逻辑单元

FPGA的基本可编程逻辑单元是由查找表（LUT）和寄存器（Register）组成的，查找表完成纯组合逻辑功能。FPGA内部寄存器可配置为带同步/异步复位和置位、时钟使能的触发器，也可以配置成为锁存器。FPGA一般依赖寄存器完成同步时序逻辑设计。一般来说，比较经典的基本可编程单元的配置是一个寄存器加一个查找表，但不同厂商的寄存器和查找表的内部结构有一定的差异，而且寄存器和查找表的组合模式也不同。

学习底层配置单元的LUT和Register比率的一个重要意义在于器件选型和规模估算。由于FPGA内部除了基本可编程逻辑单元外，还有嵌入式的RAM、PLL或者是DLL，专用的Hard IP Core等，这些模块也能等效出一定规模的系统门，所以简单科学的方法是用器件的Register或LUT的数量衡量。

3．数字时钟管理模块（DCM）

业内大多数FPGA 均提供数字时钟管理（ 赛灵思公司的全部FPGA 均具有这种特性）。赛灵思公司推出最先进的FPGA 提供数字时钟管理和相位环路锁定。相位环路锁定能够提供精确的时钟综合，且能够降低抖动，并实现过滤功能。

4. 嵌入式块RAM（BRAM）

大多数FPGA都具有内嵌的块RAM，这大大拓展了FPGA的应用范围和灵活性。块RAM可被配置为单端口RAM、双端口RAM、内容地址存储器 （CAM）以及FIFO等常用存储结构。CAM存储器在其内部的每个存储单元中都有一个比较逻辑，写入 CAM中的数据会和内部的每一个数据进行比较，并返回与端口数据相同的所有数据的地址，因而在路由的地址交换器中有广泛的应用。除了块RAM，还可以将 FPGA中的LUT灵活地配置成RAM、ROM和FIFO等结构。在实际应用中，芯片内部块RAM的数量也是选择芯片的一个重要因素。

内嵌的块RAM

5.丰富的布线资源

布线资源连通FPGA内部所有单元，连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。布线资源的划分：

1）全局性的专用布线资源：以完成器件内部的全局时钟和全局复位/置位的布线;

2）长线资源：用以完成器件Bank间的一些高速信号和一些第二全局时钟信号的布线（这里不懂什么是“第二全局时钟信号”）;

3）短线资源：用来完成基本逻辑单元间的逻辑互连与布线;

4）其他：在逻辑单元内部还有着各种布线资源和专用时钟、复位等控制信号线。

由于在设计过程中，往往由布局布线器自动根据输入的逻辑网表的拓扑结构和约束条件选择可用的布线资源连通所用的底层单元模块，所以常常忽略布线资源。其实布线资源的优化与使用和实现结果有直接关系。

FPGA内部互连布线

6、底层内嵌功能单元

内嵌功能模块主要指DLL（Delay Locked Loop）、PLL（Phase Locked Loop）、DSP 等软处理核（Soft Core）。现在越来越丰富的内嵌功能单元，使得单片FPGA 成为了系统级的设计工具，使其具备了软硬件联合设计的能力，逐步向SOC 平台过渡。

DLL 和PLL 具有类似的功能，可以完成时钟高精度、低抖动的倍频和分频，以及占空比调整和移相等功能。赛灵思公司生产的芯片上集成了DCM 和DLL，Altera 公司的芯片集成了PLL，Lattice 公司的新型芯片上同时集成了PLL 和DLL。PLL 和DLL 可以通过IP 核生成的工具方便地进行管理和配置。DLL 的结构如下图所示。

典型的DLL模块示意图

7. 内嵌专用硬核

内嵌专用硬核是相对底层嵌入的软核而言的，指FPGA处理能力强大的硬核（Hard Core），等效于ASIC电路。为了提高FPGA性能，芯片生产商在芯片内部集成了一些专用的硬核。例如：为了提高FPGA的乘法速度，主流的FPGA 中都集成了专用乘法器;为了适用通信总线与接口标准，很多高端的FPGA内部都集成了串并收发器（SERDES），可以达到数十Gbps的收发速度。