fpga内部主要结构及其功能分析（Kintex-7FPGA内部结构）

从赛灵思Kintex-7认识FPGA

作者：lee神

1    xilinxFPGA简介

FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD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缺点。

Xilinx公司是FPGA的发明者，于1985年首次推出商业化FPGA，现如今也是FPGA市场占有率最大的公司之一。Xilinx公司的FPGA产品种类众多，其中7系列FPGA产品于2010年发布，该系列FPGA采用了更为新进的28nm工艺，内部逻辑资源相比之前的FPGA有了大大的提升，器件功耗相比之前的FPGA都已经大大降低。ISE和VIVADO软件都支持7系列FPGA的开发。从spartan-7,artix-7,kintex-7到virtex-7FPGA性能依次提高。在7系列FPGA部分芯片中，xilinx采用了堆叠硅片互联（stacked silicon interconnect, SSI）技术，进一步提升了FPGA的容量和集成度。

2 kintex-7 FPGA简介

2.1 kintex-7简介

Kintex-7系列是一种新型Xilinx FPGA，能以不到 Virtex-6 系列一半的价格实现与其相当性能，性价比提高一倍，功耗降低一半。该系列不仅可提供诸如大批量 10G 光学有线通信设备等各种应用所需的高性能 10.3Gbps 或低成本优化的 6.5Gbps 串行连接性、存储器和逻辑性能，而且还实现了信号处理性能、功耗和成本的最佳平衡，能支持长期演进 (LTE) 无线网络部署，满足新一代高清 3D 平板显示器严格的功耗和成本要求，并提供新一代广播视频点播系统所需的性能和带宽。

2.2 kintex-7命名规则

XC  ----    赛灵思公司（xilinxcommercial）

7    ----    代         （generation）

K    ----    家族      （Family）例如：kintex

###  ----    逻辑（LUT）容量（logic cells in 1k units）

-1    ----   速度等级     （Speedgrade  -1 slowest  –l2 low power -2 mid）

FF   ----   封装类型   （packageType FF  Flip-chip）

900  ----   管脚数目  （nominalpackage pin count）

C    ----   温度等级   （temperature grade）

2.3kintex-7系列FPGA

这是整个Kintex-7系列FPGA的内部逻辑资源的简要明细表，我们在选用FPGA芯片时，可以作为参考。

3 FPGA内部结构资源

3.1传统FPGA内部结构

传统FPGA内部结构图

传统FPGA内部资源主要由IOB，CLB，BRAM以及丰富的内部布线等组成。具体的含义将在3.2节讲解。

3.2Kintex-7FPGA内部结构

Kintex-7 FPGA内部结构图

Kintex-7 FPGA的内部结构相比传统FPGA的内部结构嵌入了DSP48E1，PCIE，GTX,XADC,高速IO口等单元，大大提升了FPGA的性能。下面将从各个模块一一介绍。

1.普通可编程IOB

IOB

可编程I/O，可配置成三态门、双向IO、单端／差分等；支持各种不同的I/O标准：LVTTL、LVCOMS、SSTL、LVDS、HSTL、PCI等。

2.逻辑单元CLB

Kintex-7 内部CLB结构

CLB（configurable logic block）可配置逻辑单元由LUT（look up table）,MUX（多路选择器）,carry（进位器）,FF(触发器)组成。有图可知，1个CLB由两个SLICE组成，1个SLICE由4个5输入LUT，3个MUX，1个CARRY和8个FF组成，CLB是FPGA的精华所在，也是FPGA容量的主要代表。

3.IOLOGIC

IOLOGIC由ILOGIC,OLOGIC，IDELAY以及ODELAY组成。

4 BRAM

BRAM （block RAM）嵌入式块RAM可配置单/双端口RAM、伪双端口RAM、ROM、FIFO、SHIFT等；

FPGA内嵌RAM在FPGA项目开发中起着相当关键的作用，其中FIFO，shift-ram,rom等数据缓冲区均可用RAM设计，它和可以与FPGA内部的SRAM联合使用。

5.DSP48E1

FPGA对于数字信号处理（DSP）应用是有效的，因为它们可以实现自定义完全并行算法。dsp应用程序使用许多二进制文件在专用DSP片中最好实现的乘法器和累加器。所有7系列FPGA有很多专用的、全定制的、低功耗的DSP片，结合起来很高。小尺寸的速度，同时保持系统设计的灵活性。DSP片增强了数字信号处理以外的许多应用的速度和效率，如宽动态总线移位器、存储器地址产生器、宽总线多路复用器和内存映射I/O寄存器。

7 系列FPGA内嵌DSP的亮点功能:

•25×18二进制补码乘法器：

动态旁路；

•48位累加器：

可以用作同步上/下计数器；

•节电前置加法器；

优化对称滤波器应用，降低DSP片要求；

•单指令多数据（SIMD）运算单元:

双24位或四位12位加/减/累加；

•可选的逻辑单元:

可以生成两个操作数的十个不同的逻辑函数中的任意一个；

•模式检测器:

收敛或对称四舍五入；

96 -bit- wide逻辑函数，与逻辑单元一起使用；

•高级功能:

可选的流水线操作与总线进行级联。

6.GTX

GTX吉比特收发器，是FPGA内部嵌入的高速收发器。由图可知GTX大体由PCS和PMA组成。

GTX收发器支持这些使用模式:

• PCI Express, 版本 1.1/2.0/3.0

• 10GBASE-R

• Interlaken

• 10 Gb Attachment Unit Interface (XAUI), Reduced PineXtended Attachment Unit Interface (RXAUI), 100 Gb Attachment Unit Interface(CAUI), 40 Gb Attachment Unit Interface (XLAUI)

• Common Packet Radio Interface (CPRI)/Open Base StationArchitecture Initiative (OBSAI)

• OC-48/192

• OTU-1, OTU-2, OTU-3, OTU-4

•串行RapidIO （Serial RapidIO， SRIO）

• Serial Advanced Technology Attachment (SATA)/SerialAttached SCSI (SAS)

•串行数字接口（Serial Digital Interface， SDI）

• SFF-8431 (SFP+)

7.PCIE

FPGA内嵌PCIE硬核有PCIE的数据链路层以及物理层组成，物理层又可分为逻辑物理子层和电气物理子层。

PCI Express（PCIe）是一种通用的串行互连，也可以用于通信、数据中心、嵌入式、测试与测量、军事和桌面应用程序。它还可以作为外围设备互连、片对片接口和桥接其他许多协议标准。

Xilinx提供了高性能和低功耗集成硬块PCIe嵌入在Xilinx公司的所有可编程器件无需支付额外费用。

编辑：黄飞