FPGA的基本原理(详细+入门).ppt

1、FPGA的基本原理 一 什么是FPGA 二 FPGA的内部结构三 FPGA内部逻辑模块结构四 FPGA内部I O模块结构五 FPGA内部布线资源六 FPGA内部编程单元七 PGA的工作速度与速度等级八 FPGA内部逻辑模块数及触发器数九 FPGA内部的时钟网络十 FPGA的集成度十一 FPGA的封装十二 FPGA的功耗十三 FPGA的利用率十四 FPGA中的RAM十五 FPGA的JTAG接口十六 FPGA的设计安全性十七 FPGA的设计流程十八 FPGA的选用 一 什么是FPGA 一 什么是PLD lPLD即ProgrammableLogicDevice 称为可编程逻辑器件 按照制造工艺 编程

2、方式 结构 规模的不同可分为PAL GAL EPLD CPLD等不同种类 lPAL即Programmablearraylogic 是70年代末80年代初由MonolithicMemoriesInc 现为AMD的一部分 首先推出 它是一种熔丝可编程的器件 采用双极性工艺生产 可用来把几片分立的TTL电路集成到一片PAL中 PAL是一次性编程的可编程逻辑器件 lGAL即GenericArrayLogic 是一种采用CMOS工艺生产的可编程逻辑器件 在结构上和PAL相似 可用来代替PAL GAL是一种可重复编程的器件 lEPLD即可擦除的可编程逻辑器件 包括UV可擦除PLD和电可擦除PLD EPLD

3、在结构上增加输出宏单元的数目及提供更大的与阵列 lSPLD即Simple PLD 它包括PAL GAL和EPLD lCPLD即Complex PLD 它是在SPLD的基础上发展起来的 是由逻辑阵列块 可编程连线阵列和I O模块组成 规模一般比SPLD大 结构一般较复杂 二 什么是FPGA FPGA是英语 FieldprogrammableGateArray 的缩写 即现场可编程门阵 它的结构类似于掩膜可编程门阵 MPGA 由可编程逻辑功能块和可编程I O模块排成阵列组成 并由可编程的内部连线连接这些逻辑功能块和I O模块来实现不同的设计 1 FPGA与MPGA的区别 MPGA利用集成电路制造过

4、程进行编程来形成金属互连 而FPGA利用可编程的电子开关实现逻辑功能和互连 2 FPGA与CPLD的区别 1 结构不同 FPGA是由可编程的逻辑模块 可编程的分段互连线和I O模块组成 而CPLD是由逻辑阵列块 可编程连线阵列和I O模块组成 2 CPLD延时可预测 Predictable FPGA的延时与布局布线情况有关 3 CPLD组合逻辑多而触发器较少 而FPGA触发器多 三 FPGA的分类1 按可编程逻辑模块大小分 l细粒度型 fine grain 内部可编程模块较小的FPGA 如Actel公司的FPGA l粗粒度型 coarse grain 内部可编程模块较大的FPGA 如Xilin

5、x公司的FPGA 2 按可编程逻辑模块结构分 l多路开关型FPGA 可编程逻辑模块实现组合逻辑是用多路开关实现的 lRAM查找表型FPGA 可编程逻辑模块实现组合逻辑是用RAM查找表实现的 3 按可编程单元分 l基于RAM的FPGA这种类型的FPGA一般采用RAM查找表实现逻辑功能 而采用RAM单元控制的电子开关作为编程单元 由于FPGA的功能取决于RAM中的内容 所以改变RAM中的内容就可改变FPGA的电路功能 这种类型的FPGA可实现系统内可重复编程 In systemreprogrammability l逆熔丝型的FPGA这种类型的FPGA的编程单元采用逆容丝 由于逆容丝体积非常小 所以

6、这种类型的FPGA保密性非常好 lFLASH型FPGA这种类型的FPGA的编程单元采用FLASH存储器作为电子开关的控制单元 所以采用这种编程单元的FPGA既具有系统内可重复编程性 又具有非易失性 Non volatility 4 按可重复编程性分 l一次性编程的FPGA 这种FPGA只能编程一次 如逆熔丝型FPGA就是一次性编程的FPGA l可重复编程的FPGA 这种FPGA可以反复编程 如基于RAM的FPGA和FLASH型FPGA都可反复编程 四 FPGA的优点和其它类型的ASIC相比 FPGA具有以下优点 l不需要初始投资l不要提前制造l无库存风险l模拟工作费时较少l适合样品试制和小批量

7、生产 二 FPGA的内部结构 FPGA内部由四部分组成 即可编程逻辑模块 可编程布线资源 可编程I O模块 l可编程逻辑模块 是用来实现逻辑门及存贮单元的 理想的可编程逻辑模块应为用户提供高性能 高效 易设计的单元 l可编程布线资源 用来提供内部可编程逻辑模块之间及可编程逻辑模块与可编程I O模块间的连接 l可编程I O模块 为FPGA提供可编程引脚 使FPGA的引脚具有输入 输出 三态及双向功能 l编程单元 三 FPGA内部逻辑模块结构 1 多路开关型FPGA内部逻辑模块结构1 多路开关实现可编程逻辑的原理在多路开关的输入端接上不同的电平或输入信号时 可实现不同的逻辑功能 下面二选一为例说明

8、 当a 0时 y sb当a 0时 二选一可完成 与门 的功能 当b 0时 y sa当b 0时 二选一也可完成 与门 的功能 但这时其中一个输入反相了 当b 0 a 1时 y s当b 0 a 1时 二选一可完成 非门 的功能 当b 1时 y sa s a s当b 1时 二选一可完成 或门 的功能 2 ACT1的逻辑模块 下图为Actel公司生产的ACT1系列FPGA的逻辑模块框图 ACT1逻辑模块由三个二选一多路选择器和一个或门组成 是一个有8个输入一个输出的电路 它可实现两输入 三输入和四输入的与 或门 与非 或非门 与或门 或与门等 也可实现D型锁存器 用两个模块可实现各种类型的D触发器 A

9、CT1模块是如何实现三输入与门的 2 查表型FPGA结构两输入与门 4X1RAM表 四 FPGA内部I O模块结构 FPGA的I O引脚都可设置为 输入 输出 双向 三态四种状态 五 FPGA内部布线资源 分段连接线 分段连线的两端为编程单元 通过对编程单元的编程来决定两个分段连线是否连接 六 FPGA内部编程单元 1 逆熔丝开关逆熔丝开关的功能和熔丝开关正好相反 当加上编程电压后两端相连 电阻很小 1k 且为永久性连接 不编程时两端电阻很大 100M 市场上有两种类型的逆熔丝开关 分别是ACTEL公司的多晶硅 扩散逆熔丝和QuickLogic公司的金属 金属逆熔丝 ViaLinkTM l这种

10、逆熔丝开关的面积很小 大约9um2 电阻较小 电阻与编程电压有关 电容很小 10fF 1 2um工艺 2 采用浮栅编程技术的编程单元浮栅编程技术采用悬浮栅存储电荷的方法来保存数据 在断电时存储数据不丢失 包括三种 lEPROM 紫外线擦除 电编程 lEEPROM 一次可擦一个字l闪速存储器 FLASHMEMORY 完全擦除或擦除一段 3 晶体管开关80年代中期 XILINX和Altera推出了利用晶体管作为开关单元的FPGA器件 存储器单元来控制开关 而存储单元是可以擦除和重新编程的 从而使得采用这种技术的FPGA具有可重复编程性 SRAM开关单元由一个5个晶体管组成的RAM单元和1个通过晶体

11、管 称为可编程互连点 PIP ProgrammableInterconnectPoint 组成 PIP控制分段连线的连接情况 即 连或不连 PIP受RAM单元控制 位于PIP晶体管两边的分段连线是连还是不连由RAM单元的值决定 SRAM开关单元的面积 50 225 m2 电阻 800 1900 电容 8 17Ff 七 FPGA的工作速度与速度等级 1 FPGA速度指标 内部触发器的反转频率 是FPGA内部工作的最高速度 但由于设计电路时触发器之间有组合电路 而且布线也存在迟延 所以FPGA的实际工作速度要比触发器的反转频率低很多 系统工作频率 即FPGA的实际工作频率 与所选芯片及电路结构有关

12、时钟到输出的迟延 是衡量FPGA时钟网络性能的一个指标 如 10ns 5 6ns 4ns 引脚到引脚的迟延 是衡量FPGA速度的一个指标 引脚到引脚的迟延越小 FPGA的实际工作速度会越高 2 FPGA的速度等级std 1比std快15 2比std快25 3比std快35 八 FPGA内部逻辑模块数及触发器数 内部模块数A54SX32A 2880 CC 1800 RC 1080 D 1980每个逻辑模块所含触发器的个数ACTEL 1个XILINX 2个 九 FPGA内部的时钟网络 FPGA内部的时钟网络为时序电路提供大驱动能力 时钟歪斜小的时钟 或者用作大驱动全局信号 如 reset outp

13、ut selectsignal 具有时钟网络是实现同步设计的基础 时钟网络数 1 A40MX022 A42MX243 A54SX32A 十 FPGA的集成度 门阵等效门 一个门阵等效门定义为一个两输入端的 与非 门 系统门 是芯片上门的总数 是厂家指定给器件的一个门数 十一 FPGA的封装 1 引脚数 FPGA芯片总的引脚数 2 用户I O数 指除了电源引脚 特殊功能引脚外的引脚 这些引脚可根据用户的需要进行配置 3 I O驱动电流 8mA或10mA 4 时钟网络数 FPGA芯片可能包含1个 2个或4个时钟网络 5 封装 PLCC PQFP CPGA等封装形式 6 工作温度范围 FPGA芯片一

14、般有商用 工业用及军用等不同的工作温度范围 7 工作环境 一般分普通工作环境和航天工作环境 十二 FPGA的功耗 FPGA的功耗可用下面的公式表示 P Iccs Icca Vcc Iol Vol N Ioh Vcc Voh M其中包括静态功耗和动态功耗两部分 静态功耗 当输入输出都不变化时的功耗动态功耗 当输入输出变化时的功耗在FPGA中动态功耗占主导地位 十三 FPGA的利用率 l模块利用率模块利用率 所用模块数 FPGA总的模块数l门利用率指所设计电路用的门数与FPGA总的系统门数之比 十四 FPGA中的RAM l单口RAMl同步双口RAM Actel公司的3200DX系列 42MX系列

15、lFPGA中RAM的容量lFPGA中RAM的速度 Actel公司的42MX系列FPGA的SRAM读写时间为5ns 十五 FPGA的JTAG接口 随着电路板复杂度的增加及表面贴装技术的快速发展 电路板的测试就变得越来越昂贵和困难 IEEE就制定了Std 1149 1标准 由于它是JointTestActionGroup JTAG 负责制定的 所以一般称为JTAG JTAG通过边界扫描技术来实现对元件的性能 连接及相互作用的测试 FPGA厂商为了改善I O引脚数很多的FPGA的可测试性与可制造性 Manufacturability 而增加的一个测试接口 十六 FPGA的设计安全性 常用的器件的设计安全性依次为 SRAMFPGAFlash basedPLDsASICsAntifuseFPGAs 基于SRAM的FPGA安全性最差 较容易被仿制 而逆熔丝型FPGA安全性最好 最难仿制 十七 FPGA的设计流程 设计输入设计验证FPGA的设计过程可分为五个阶段 设计实现编程测试 十八 FPGA的选用 1 比较器件的工艺器件的工艺决定了器件的性能 价格 功耗及工作环境及安全性2 了解器件的性能器件的性能包括 FPGA的容量 工作速度 封装 面积 I O数 及安全性 3 评价其开发工具l了解开发系统的性能l了解开发系统的价格l了解开发系统销售商售后服务情况