fpga介绍_fpga芯片系统结构图

时间:2025-04-27  作者:Diven  阅读:0

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介绍_fpga芯片系统结构图

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。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

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