FPGA开发 实用内容
本帖最后由 小舍YZ 于 2017-3-30 14:05 编辑FPGA开发 实用内容
注意：
1.FPGA的三大应用领域：数字处理中的信号变换、高速交换中的数据收发以及求解中的复杂计算。
2.从系统开发角度，以软、硬件结合的方式来阐述先进的FPGA开发理念。
3.适合从事FPGA设计和开发领域的工程师，以及相关专业的研究生和高年级本科生使用。
第1章 FPGA开发简介
本章主要介绍FPGA的起源、发展历史、芯片结构、工作原理、开发流程以及Xilinx公司的主要可编程芯片，为读者提供FPGA系统设计的基础知识。
第1节 可编程逻辑器件基础
1.1.1 可编程逻辑器件概述
可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）起源于20世纪70年代，是在专用集成电路（ASIC）的基础上发展起来的一种新型逻辑器件，是当今数字系统设计的主要硬件平台，其主要特点就是完全由用户通过软件进行配置和编程，从而完成某种特定的功能，且可以反复擦写。在修改和升级PLD时，不需额外地改变PCB电路板，只是在计算机上修改和更新程序，使硬件设计工作成为软件开发工作，缩短了系统设计的周期，提高了实现的灵活性并降低了成本，因此获得了广大硬件工程师的青睐，形成了巨大的PLD产业规模。
目前常见的PLD产品有：编程只读存储器（Programmable Read Only Memory，PROM），现场可编程逻辑阵列（Field Programmable Logic Array，FPLA），可编程阵列逻辑（Programmable Array Logic，PAL），通用阵列逻辑（Generic Array Logic，GAL），可擦除的可编程逻辑器件（Erasable Programmable Logic Array，EPLA），复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）和现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）等类型。PLD器件从规模上又可以细分为简单PLD（SPLD）、复杂PLD（CPLD）以及FPGA。它们内部结构的实现方法各不相同。
可编程逻辑器件按照颗粒度可以分为3类：①小颗粒度（如：“门海（sea of gates）”架构），②中等颗粒度（如：FPGA），③大颗粒度（如：CPLD）。按照编程工艺可以分为四类：①熔丝（Fuse）和反熔丝（Antifuse）编程器件，②可擦除的可编程只读存储器（UEPROM）编程器件，③电信号可擦除的可编程只读存储器（EEPROM）编程器件（如：CPLD），④SRAM编程器件（如：FPGA）。在工艺分类中，前3类为非易失性器件，编程后，配置数据保留在器件上；第4类为易失性器件，掉电后配置数据会丢失，因此在每次上电后需要重新进行数据配置。
1.1.2 可编程逻辑器件的发展历史
可编程逻辑器件的发展可以划分为4个阶段，即从20世纪70年代初到70年代中为第1阶段，20世纪70年代中到80年代中为第2阶段，20世纪80年代到90年代末为第3阶段，20世纪90年代末到目前为第4阶段。
第1阶段的可编程器件只有简单的可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和电可擦只读存储器（EEPROM）3种，由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。
第2阶段出现了结构上稍微复杂的可编程阵列逻辑（PAL）和通用阵列逻辑（GAL）器件，正式被称为PLD，能够完成各种逻辑运算功能。典型的PLD由“与”、“非”阵列组成，用“与或”表达式来实现任意组合逻辑，所以PLD能以乘积和形式完成大量的逻辑组合。
第3阶段Xilinx和Altera分别推出了与标准门阵列类似的FPGA和类似于PAL结构的扩展性CPLD，提高了逻辑运算的速度，具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点，兼容了PLD和通用门阵列的优点，能够实现超大规模的电路，编程方式也很灵活，成为产品原型设计和中小规模（一般小于10000）产品生产的首选。这一阶段，CPLD、FPGA器件在制造工艺和产品性能都获得长足的发展，达到了0.18 工艺和系数门数百万门的规模。
第4阶段出现了SOPC和SOC技术，是PLD和ASIC技术融合的结果，涵盖了实时化数字信号处理技术、高速数据收发器、复杂计算以及嵌入式系统设计技术的全部内容。Xilinx和Altera也推出了相应SOCFPGA产品，制造工艺达到65 ，系统门数也超过百万门。并且，这一阶段的逻辑器件内嵌了硬核高速乘法器、Gbits差分串行接口、时钟频率高达500MHz的PowerPC微处理器、软核MicroBlaze、Picoblaze、Nios以及NiosII，不仅实现了软件需求和硬件设计的完美结合，还实现了高速与灵活性的完美结合，使其已超越了ASIC器件的性能和规模，也超越了传统意义上FPGA的概念，使PLD的应用范围从单片扩展到系统级。目前，基于PLD片上可编程的概念仍在进一步向前发展。
1.1.3 PLD开发工具
基于高复杂度PLD器件的开发，在很大程度上要依靠电子设计自动化（EDA）来完成。PLD的EDA工具以计算机软件为主，将典型的单元电路封装起来形成固定模块并形成标准的硬件开发语言（如HDL语言）供设计人员使用。设计人员考虑如何将可组装的软件库和软件包搭建出满足需求的功能模块甚至完整的系统。PLD开发软件需要自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合及优化、布局布线、仿真以及对于特定目标芯片的适配编译和编程下载等工作。典型的EDA工具中必须包含两个特殊的软件包，即综合器和适配器。综合器的功能就是将设计者在EDA平台上完成的针对某个系统项目的HDL、原理图或状态图形描述，针对给定的硬件系统组件，进行编译、优化、转换和综合。
随着开发规模的级数性增长，就必须减短PLD开发软件的编译时间、并提高其编译性能以及提供丰富的知识产权（IP）核资源供设计人员调用。此外，PLD开发界面的友好性以及操作的复杂程度也是评价其性能的重要因素。目前在PLD产业领域中，各个芯片提供商的PLD开发工具已成为影响其成败的核心成分。只有全面做到芯片技术领先、文档完整和PLD开发软件优秀，芯片提供商才能获得客户的认可。一个完美的PLD开发软件应当具备下面5点：
• 准确地将用户设计转换为电路模块
• 能够高效地利用器件资源
• 能够快速地完成编译和综合
• 提供丰富的IP资源
• 用户界面友好、操作简单
Xilinx公司的ISE、Altera公司的Quartus II和Maxplus II是业界公认的优秀集成PLD开发软件。此外综合软件Synplify和仿真软件ModelSim等诸多第三方EDK开发软件也满足上述要求。
1.2.1 FPGA工作原理与简介
如前所述，FPGA是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的，即解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。
由于FPGA需要被反复烧写，它实现组合逻辑的基本结构不可能像ASIC那样通过固定的与非门来完成，而只能采用一种易于反复配置的结构。查找表可以很好地满足这一要求，目前主流FPGA都采用了基于SRAM工艺的查找表结构，也有一些军品和宇航级FPGA采用Flash或者熔丝与反熔丝工艺的查找表结构。通过烧写文件改变查找表内容的方法来实现对FPGA的重复配置。
根据数字电路的基本知识可以知道，对于一个n输入的逻辑运算，不管是与或非运算还是异或运算等等，最多只可能存在2n种结果。所以如果事先将相应的结果存放于一个存贮单元，就相当于实现了与非门电路的功能。FPGA的原理也是如此，它通过烧写文件去配置查找表的内容，从而在相同的电路情况下实现了不同的逻辑功能。
查找表（Look-Up-Table）简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的 的RAM。 当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把真值表（即结果）事先写入RAM，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。
下面给出一个4与门电路的例子来说明LUT实现逻辑功能的原理。
例1-1：给出一个使用LUT实现4输入与门电路的真值表。
表1-1 4输入与门的真值表
从中可以看到，LUT具有和逻辑电路相同的功能。实际上，LUT具有更快的执行速度和更大的规模。 由于基于LUT的FPGA具有很高的集成度，其器件密度从数万门到数千万门不等，可以完成极其复杂的时序与逻辑组合逻辑电路功能，所以适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。其组成部分主要有可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、内嵌SRAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用单元等，主要设计和生产厂家有Xilinx、Altera、Lattice、Actel、Atmel和QuickLogic等公司，其中最大的是Xilinx、Altera、Lattice三家。 如前所述，FPGA是由存放在片内的RAM来设置其工作状态的，因此工作时需要对片内RAM进行编程。用户可根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。FPGA有如下几种配置模式：
• 并行模式：并行PROM、Flash配置FPGA；
• 主从模式：一片PROM配置多片FPGA；
• 串行模式：串行PROM配置FPGA；
• 外设模式：将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。
目前，FPGA市场占有率最高的两大公司Xilinx和Altera生产的FPGA都是基于SRAM工艺的，需要在使用时外接一个片外存储器以保存程序。上电时，FPGA将外部存储器中的数据读入片内RAM，完成配置后，进入工作状态；掉电后FPGA恢复为白片，内部逻辑消失。这样FPGA不仅能反复使用，还无需专门的FPGA编程器，只需通用的EPROM、PROM编程器即可。Actel、QuickLogic等公司还提供反熔丝技术的FPGA，只能下载一次，具有抗辐射、耐高低温、低功耗和速度快等优点，在军品和航空航天领域中应用较多，但这种FPGA不能重复擦写，开发初期比较麻烦，费用也比较昂贵。Lattice是ISP技术的发明者，在小规模PLD应用上有一定的特色。早期的Xilinx产品一般不涉及军品和宇航级市场，但目前已经有Q Pro-R等多款产品进入该类领域。 1.2.2 FPGA芯片结构
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。如图1-1所示（注：图1-1只是一个示意图，实际上每一个系列的FPGA都有其相应的内部结构），FPGA芯片主要由6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。
图1-1 FPGA芯片的内部结构
每个模块的功能如下：
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，其示意结构如图1-2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。
图1-2 典型的IOB内部结构示意图
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只能有一种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． 可配置逻辑块（CLB）
CLB是FPGA内的基本逻辑单元。CLB的实际数量和特性会依器件的不同而不同，但是每个CLB都包含一个可配置开关矩阵，此矩阵由4或6个输入、一些选型电路（多路复用器等）和触发器组成。 开关矩阵是高度灵活的，可以对其进行配置以便处理组合逻辑、移位寄存器或RAM。在Xilinx公司的FPGA器件中，CLB由多个（一般为4个或2个）相同的Slice和附加逻辑构成，如图1-3所示。每个CLB模块不仅可以用于实现组合逻辑、时序逻辑，还可以配置为分布式RAM和分布式ROM。
图1-3 典型的CLB结构示意图
