FPGA的 基本结构(Xilinx 公司Virtex-II 系列FPGA )

以Xilinx 公司Virtex-II 系列FPGA 为例,其基本结构由下图所示。它是主要由两大部分组成:可编程输入/输出(Programmable I/Os)部分和内部可配置(Configurable Logic)部分。

可编程输入/输出(I/Os)部分主要提供芯片与外界电路的交互接口,完成不同电气特性下对输入输出信号驱动与匹配的要求。

它被设计成可编程模式,即可以用软件灵活设置,从而调整输出驱动电流的大小以及匹配阻抗特性。同时,它能够支持多种前沿的I/O 标准。

目前,I/O 口的工作频率也日益增加,有些FPGA可以支持高达2Gbps 的数据速率。

内部可配置部分则是功能实现的主体,其主要由以下五大单元组成:

1.配置逻辑单元(Configurable Logic Block,CLB)

主要用于实现组合逻辑或者时序逻辑,包括作为基本的存储单元。每个CLB 由四个Slice 和两个三态缓冲(TBUF)组成,并通过开关矩阵与布线矩阵进行连接,如下图 所示。

四个Slice 可以组成一个移位链,分成上下两组后,每组又都有其各自独立的进位链。Slice 的内部结构是上下对称的,其上半部分结构如下图所示。它是由两个四输入的函数发生器(F 函数和G 函数)、进位逻辑、算数逻辑、多路选择器和两个存储单元构成。

其中,函数发生器本质上而言,就是根据函数表达式去查找已存的数据表。所以,它可以被配置成四输入的查找表(Look Up Table,LUT)、分布式RAM/ROM 或者是16bit 的移位寄存器。

2.块存储单元(Block SelectRAM,BRAM)

FPGA 内嵌了可编程的BRAM,扩大了其应用领域,增加灵活性。BRAM 可以配置成单端口RAM(如下图 所示),

或者是双端口RAM(如下图所示)。以XC2V3000 FPGA 为例,它的大小为18Kb,每个端口都是同步且独立的。根据深度和宽度的不同,BRAM 的大小可以在16Kx1bit 到512x36bit 范围内进行配置。另外,当需要实现更大的存储空间时,则可以通过级联多个BRAM。

3.乘法器单元(Multiplier)

FPGA 内嵌单元除了BRAM 外,还包括乘法器。与用Slice 实现乘法功能相比,内嵌乘法器运算速度更高,且功耗更低。以XC2V3000 为例,乘法器单元最大可以实现18bit x 18bit,如下图所示。

在实际应用中,比如在有限脉冲响应(Finite Impulse Response,FIR)滤波器或者无限脉冲响应(Infinite Impulse Response,IIR)滤波器中用到的数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)和乘法累加器(Multiplier Accumulator,MAC)功能,通常是将乘法器单元与BRAM 配合使用,从而能够充分利用两者的优点。

4.数字时钟管理(Digital Clock Manager,DCM)

提供一个具有自我校准、时延补偿、分频倍频和移相功能的时钟管理单元。在FPGA 设计中,结合全局时钟选择缓冲和DCM,让从DCM 输出的时钟通过FPGA 内部全局时钟树到达每一个触发器,且延时基本上是相同的,这大大提高FPGA 设计的工作频率。

5.布线资源

它使FPGA 内部的所有单元互联互通,而不同的布线类型、策略决定了信号的传输速度和延时。


学习例程

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01-锁存器、触发器、寄存器、移位寄存器等

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02-逻辑门、三态门、mux等

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03-各种计数器

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