全面解析FPGA基礎知識

時間：2020-04-15

1）、 FPGA簡介

FPGA普遍用于實現(xiàn)數(shù)字電路模塊，用戶可對FPGA內部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實現(xiàn)用戶的需求。它還具有靜態(tài)可重復編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改?？梢院敛豢鋸埖闹v，F(xiàn)PGA能完成任何數(shù)字器件的功能，下至簡單的74電路，上**性能CPU，都可以用FPGA來實現(xiàn)。FPGA如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設計一個數(shù)字系統(tǒng)。

2）、FPGA整體結構

FPGA架構主要包括可配置邏輯塊CLB（Configurable Logic Block）、輸入輸出塊IOB（Input Output Block）、內部連線（Interconnect）和其它內嵌單元四個部分。

CLB是FPGA的基本邏輯單元。實際數(shù)量和特性會依器件的不同而改變，但是每個CLB都包含一個由4或6個輸入、若干選擇電路（多路復用器等）和觸發(fā)器組成的可配置開關矩陣。開關矩陣具有高度的靈活性，經配置可以處理組合型邏輯、移位寄存器或 RAM。

FPGA可支持許多種I/O標準，因而可以為系統(tǒng)設計提供理想的接口橋接。FPGA 內的I/O按bank分組，每個bank能獨立支持不同的I/O標準。目前較**的FPGA提供了十多個I/O bank，能夠提供靈活的I/O支持。

CLB 提供了邏輯性能，靈活的互連布線則負責在CLB和I/O之間傳遞信號。布線有幾種類型，從設計用于專門實現(xiàn) CLB 互連（短線資源）、到器件內的高速水平和垂直長線（長線資源）、再到時鐘與其它全局信號的全局低skew布線（全局性**布線資源）。一般，各廠家設計軟件會將互連布線任務隱藏起來，用戶根本看不到，從而大幅降低了設計復雜性。

一般來說，器件型號數(shù)字越大，表示器件能提供的邏輯資源規(guī)模越大。在FPGA器件選型時，用戶需要對照此表格，根據(jù)業(yè)務對邏輯資源（CLB）、內部BlockRAM、接口（高速Serdes對數(shù)）、數(shù)字信號處理（DSP硬核數(shù)）以及今后擴展等多方面的需求，綜合考慮項目較合適的邏輯器件。

3）、FPGA開發(fā)流程

FPGA的設計流程就是利用EDA開發(fā)軟件和編程工具對FPGA芯片進行開發(fā)的過程。

1、功能定義/器件選型：在FPGA設計項目開始之前，必須有系統(tǒng)功能的定義和模塊的劃分，另外就是要根據(jù)任務要求，如系統(tǒng)的功能和復雜度，對工作速度和器件本身的資源、成本、以及連線的可布性等方面進行權衡，選擇合適的設計方案和合適的器件類型。

2、設計輸入：設計輸入指使用硬件描述語言將所設計的系統(tǒng)或電路用代碼表述出來。較常用的硬件描述語言是Verilog HDL。

3、功能仿真：功能仿真指在邏輯綜合之前對用戶所設計的電路進行邏輯功能驗證。仿真前，需要搭建好測試平臺并準備好測試激勵，仿真結果將會生成報告文件和輸出信號波形，從中便可以觀察各個節(jié)點信號的變化。如果發(fā)現(xiàn)錯誤，則返回設計修改邏輯設計。常用仿真工具有Model Tech公司的ModelSim、Sysnopsys公司的VCS等軟件。

4、邏輯綜合：所謂綜合就是將較**抽象層次的描述轉化成較低層次的描述。綜合優(yōu)化根據(jù)目標與要求優(yōu)化所生成的邏輯連接，使層次設計平面化，供FPGA布局布線軟件進行實現(xiàn)。就目前的層次來看，綜合優(yōu)化是指將設計輸入編譯成由與門、或門、非門、RAM、觸發(fā)器等基本邏輯單元組成的邏輯連接網表，而并非真實的門級電路。

5、布局布線與實現(xiàn)：布局布線可理解為利用實現(xiàn)工具把邏輯映射到目標器件結構的資源中，決定邏輯的較佳布局，選擇邏輯與輸入輸出功能鏈接的布線通道進行連線，并產生相應文件(如配置文件與相關報告)；實現(xiàn)是將綜合生成的邏輯網表配置到具體的FPGA芯片上。由于只有FPGA芯片生產商對芯片結構較為了解，所以布局布線必須選擇芯片開發(fā)商提供的工具。

6、編程調試：設計的最后一步就是編程調試。芯片編程是指產生使用的數(shù)據(jù)文件(位數(shù)據(jù)流文件，Bitstream Generaon)，將編程數(shù)據(jù)加載到FPGA芯片中；之后便可進行上板測試。最后將FPGA文件（如.bit文件）從電腦下載到單板上的FPGA芯片中。

4）、如何使用FPGA

FPGA開發(fā)完畢，較終得到驗證好的加載文件。輸出加載文件后，即可開始正常業(yè)務處理和驗證(以軟件加載方式為例，描述整個過程)

1、邏輯加載；

2、單板軟件加載邏輯后，需要復位邏輯；

3、復位完成后，軟件需等待等待一段時間至邏輯鎖相環(huán)工作穩(wěn)定；

4、軟件啟動對邏輯的外部RAM、內部Block RAM、DDRC等的自檢操作；

5、軟件完成自檢以后，對邏輯所有可寫RAM空間及寄存器進行初始化操作；

6、初始化完畢，軟件參考邏輯芯片手冊配置表項及寄存器；

7、邏輯準備好，可以開始處理業(yè)務。

5）、FPGA適用場景

FPGA適合非規(guī)則性多并發(fā)、密集計算及協(xié)議解析處理場景，例如人工智能、基因測序、視頻編碼、數(shù)據(jù)壓縮、圖片處理、網絡處理等各領域的加速。

詞條
詞條說明
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