Comprehensive analysis of FPGA basics

1、FPGA的简介

• FPGA（Field- Programmable Gate Array）
  ,即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLDIt is a product further developed on the basis of programmable devices.它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点.

•  FPGA普遍用于实现数字电路模块,用户可对FPGA内部的逻辑模块和I／O模块重新配置,以实现用户的需求.它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性,使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改.
  FPGA如同一张白纸或是一堆积木,工程师可以通过传统的原理图输入法,或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统.

• FPGA 的基本结构包括可编程输入输出单元,可配置逻辑块,数字时钟管理模块,嵌入式块RAM,布线资源,内嵌专用硬核,底层内嵌功能单元.FPGA的设计流程包括算法设计、代码仿真以及设计、板级调试,设计者以及实际需求建立算法架构,利用EDA建立设计方案或HD编写设计代码,通过代码仿真保证设计方案符合实际要求,最后进行板级调试,利用配置电路将相关文件下载至FPGA芯片中,验证实际运行效果.

2、FPGA整体结构

• CLB是FPGA的基本逻辑单元.实际数量和特性会依器件的不同而改变,但是每个CLB都包含一个由4或6个输入、若干选择电路（多路复用器等）和触发器组成的可配置开关矩阵.

• FPGAMany types are supportedI／O标准,因而可以为系统设计提供理想的接口桥接.FPGA 内的I／O按bank分组,每个bank能独立支持不同的I／O标准.目前最先进的FPGA提供了十多个I／O bank,能够提供灵活的I／O支持.

• CLB 提供了逻辑性能,灵活的互连布线则负责在CLB和I／O之间传递信号.布线有几种类型,从设计用于专门实现 CLB 互连（短线资源）、到器件内的高速水平和垂直长线（长线资源）、再到时钟与其它全局信号的全局低skew布线（全局性专用布线资源）.

• Embedded hard core unit includedRAM、DSP、DCM（数字时钟管理模块）及其它特定接口硬核等,FPGAThe internal structure of the device is shown in the following diagram.

3、FPGA开发流程

• 功能定义／器件选型：在FPGA设计项目开始之前,必须有系统功能的定义和模块的划分,另外就是要根据任务要求,如系统的功能和复杂度,对工作速度和器件本身的资源、成本、以及连线的可布性等方面进行权衡,选择合适的设计方案和合适的器件类型.

• 设计输入：Design input refers to the use of hardware description language to express the designed system or circuit in code.最常用的硬件描述语言是Verilog HDL.

• 功能仿真：Functional simulation refers to the logic function verification of the circuit designed by the user before logic synthesis.仿真前,需要搭建好测试平台并准备好测试激励,仿真结果将会生成报告文件和输出信号波形,从中便可以观察各个节点信号的变化.如果发现错误,则返回设计修改逻辑设计.常用仿真工具有Model Tech公司的ModelSim、Sysnopsys公司的VCS等软件.

• 逻辑综合：所谓综合就是将较高级抽象层次的描述转化成较低层次的描述.综合优化根据目标与要求优化所生成的逻辑连接,使层次设计平面化,供FPGA布局布线软件进行实现.就目前的层次来看,综合优化是指将设计输入编译成由与门、或门、非门、RAM、触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接网表,而并非真实的门级电路.

• 布局布线与实现：Place and route can be understood as the use of implementation tools to map logic into the resources of the target device structure,决定逻辑的最佳布局,选择逻辑与输入输出功能链接的布线通道进行连线,并产生相应文件（如配置文件与相关报告）;实现是将综合生成的逻辑网表配置到具体的FPGA芯片上.由于只有FPGA芯片生产商对芯片结构最为了解,所以布局布线必须选择芯片开发商提供的工具.

• 编程调试：设计的最后一步就是编程调试.芯片编程是指产生使用的数据文件（位数据流文件,Bitstream Generaon）,将编程数据加载到FPGA芯片中;之后便可进行上板测试.最后将FPGA文件（如．bit文件）从电脑下载到单板上的FPGA芯片中.

• 目前FPGAThe two major manufacturers are xilinx和altera.

• Xilinx
  ：The company website is ：
  http://www.xilinx.com/
  .FPGA市场的龙头老大,市场份额接近50%,其主要产品包括：Sparten系列、Virtex系列、Artix系列、Kintex系列、Virtex系列等

• Altera
  ：The company website is ：
  http://www.altera.com/
  ,FPGAThe second master of the market,市场份额40%以上,2015年6月被Intel以167亿美元收购.主要产品包含：Max系列、Cyclone系列、Arria系列、Stratix系列等.

4、FPGA内部结构

5、FPGA专业术语

• ASIC,通常所说的ASICMainly refers to the gate array、Embedded array、标准单元 ASIC、结构化 ASIC 等.

• ASSP,相对于 ASIC This one is customized for a specific customer LSI,ASSP It is generic for a specific field or application LSI.

• CPLD,复杂可编程逻辑器件

• DLL,延迟锁定环

• IP,设计资产

• LUT,查找表

• LVDS,低电压差分信号

• PLD,可编程逻辑器件

• PLL,复杂可编程逻辑器件

• SerDes,串行器-解串器

范例