02 FPGA晶元內部硬體介紹

2022-09-22 04:33:06 字數 3300 閱讀 5889

fpga(filed programmable gate device):現場可程式設計邏輯器件

fpga基於查詢表加觸發器的結構,採用sram工藝,也有採用flash或者反熔絲工藝;主要應用高速、高密度大的數位電路設計。

fpga由可程式設計輸入/輸出單元、基本可程式設計邏輯單元、嵌入式塊ram、豐富的佈線資源(時鐘/長線/**)、底層嵌入功能單元、內嵌專用的硬核等組成;

目前市場上應用比較廣泛的fpga晶元主要來自altera與xilinx。另外還有其它廠家的一些低端晶元(actel、lattice)。

這裡主要介紹altera

cyclone ii系列

fpga的內部硬體結構:

fpga器件結構

可程式設計輸入/輸出單元ioe

可程式設計邏輯單元le

嵌入式塊ram

佈線資源

底層嵌入功能單元

altera cyclone iv器件結構

fpga的內部結構包括:

可程式設計邏輯門陣列,由最小單元le組成

可程式設計輸入輸出單元ioe

嵌入式ram塊,為m4k塊,每個的儲存量為4k,掉電丟失

佈線網路

pll鎖相環,ep4ce6e22c8n最大的倍頻至250mhz,這也是該晶元的最大工作頻率

可程式設計i/o,可配置成oc門、三態門、雙向io、單端/差分等;支援各種不同的i/o標準:lvttl、lvcoms、sstl、lvds、hstl、pci等;

altera 器件ioe結構

altera器件的輸入輸出結構:可配置成三態、輸入/輸出、雙向io

altera器件中cyclone系列中的ioe結構是基本的輸入、輸出、使能的觸發器結構。

基本可程式設計邏輯單元le由查詢表(look up table)觸發器(ff)組成,而le是組成lab的最小單元;

lut一般是4輸入查詢表,高階器件(xilinx v5)採用lut-6結構;lut可看成4位位址線的16x1的ram 結構。

ff是可程式設計的觸發器,可配置成同步/非同步復位、同步/非同步置位、使能、裝載等功能觸發器。

可程式設計邏輯塊:

xilinx clb由四個slice構成;而altera的lab由16個/8個le構成;

基本邏輯單元le/slice:

xilinx 為slice:包括兩個lut-4/兩個ff;

altera為le:包括乙個lut-4/乙個ff;

嵌入式塊ram可配置單/雙埠ram、偽雙埠ram、rom、fifo、shift、cam等;不同廠家的塊ram大小不一樣:

全域性佈線資源:用於全域性時鐘/全域性復位/全域性置位佈線;

長線資源:用於bank或者嵌入式功能單元的高速訊號或者第二全域性時鐘的佈線;

**資源:用於其中邏輯單元間的邏輯互聯與佈線;

全域性佈線資源:

全域性時鐘樹:

主要是指pll/dpll、dcm、dsp48、乘法器、嵌入式硬核/軟核;

xilinx:dcm、dsp48/48e、dpll、multiplier等

altera:pll/epll/fpll、dspcore等;

multiplier結構

pll/dcm:嵌入式鎖相環

altera:pll

xilinx:dcm

altera的cyclone ii器件最多有四個pll,分布在晶元四個角;需要主要的是altera的pll是模擬鎖相環,在電源/地方面要做考慮。

xilinx的spatan-3器件最多有四個dcm,也是分布在晶元四個角。

兩者的區別:altera的pll可支援較低的輸入頻率,可xilinx的dcm支援的最低鎖相頻率為24/32mhz;但xilinx的高階器件virtex-5的dpll可達到很低的輸入頻率。

內嵌專用硬核

指高速序列收發器;gmac、serdes、pcie等;

xilinx:gmac、serdes、pci、gtx、grx

atera:gmac、serdes、pcie、spi.4/sfi.5

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