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1、FPGA的基本原理,一、什么是FPGA? 二、FPGA的内部结构 三、FPGA内部逻辑模块结构 四、FPGA内部I/O模块结构 五、FPGA内部布线资源 六、FPGA内部编程单元 七、PGA的工作速度与速度等级 八、FPGA内部逻辑模块数及触发器数 九、 FPGA内部的时钟网络 十、 FPGA的集成度 十一、FPGA的封装 十二、FPGA的功耗 十三、FPGA的利用率 十四、FPGA中的RAM 十五、FPGA的JTAG接口 十六、FPGA的设计安全性 十七、 FPGA的设计流程 十八、 FPGA的选用,一、什么是FPGA?,（一）、 什么是PLD？ l PLD 即Programmable Lo
2、gic Device，称为可编程逻辑器件。按照制造工艺、编程方式、结构、规模的不同可分为PAL、GAL、EPLD、CPLD等不同种类。 lPAL 即 Programmable array logic，是70年代末80年代初由Monolithic Memories Inc。（现为AMD的一部分）首先推出。它是一种熔丝可编程的器件，采用双极性工艺生产，可用来把几片分立的TTL电路集成到一片PAL中。PAL是一次性编程的可编程逻辑器件。 l GAL 即 Generic Array Logic，是一种采用CMOS工艺生产的可编程逻辑器件，在结构上和PAL相似，可用来代替PAL。GAL是一种可重复编程的
3、器件。 lEPLD即可擦除的可编程逻辑器件，包括UV可擦除PLD和电可擦除PLD，EPLD在结构上增加输出宏单元的数目及提供更大的与阵列。 lSPLD即Simple-PLD：它包括PAL、GAL和EPLD。 lCPLD即Complex-PLD：它是在SPLD的基础上发展起来的，是由逻辑阵列块、可编程连线阵列和I/O模块组成。规模一般比SPLD大，结构一般较复杂。,（二）、 什么是FPGA？ FPGA是英语（Field programmable Gate Array）的缩写，即现场可编程门阵。它的结构类似于掩膜可编程门阵（MPGA），由可编程逻辑功能块和可编程I/O模块排成阵列组成，并由可编程的
4、内部连线连接这些逻辑功能块和I/O模块来实现不同的设计。 1、FPGA与MPGA的区别： MPGA利用集成电路制造过程进行编程来形成金属互连，而FPGA利用可编程的电子开关实现逻辑功能和互连。 2、FPGA与CPLD的区别： 1) 结构不同：FPGA是由可编程的逻辑模块、可编程的分段互连线和I/O模块组成，而CPLD是由逻辑阵列块、可编程连线阵列和I/O模块组成。 2)CPLD延时可预测（Predictable），FPGA的延时与布局布线情况有关。 3) CPLD 组合逻辑多而触发器较少，而FPGA触发器多。,（三）、 FPGA的分类 1、 按可编程逻辑模块大小分： l细粒度型（fine-gr
5、ain）：内部可编程模块较小的FPGA，如Actel公司的FPGA。 l粗粒度型（coarse-grain）：内部可编程模块较大的FPGA，如Xilinx公司的FPGA。 2、 按可编程逻辑模块结构分： l多路开关型FPGA：可编程逻辑模块实现组合逻辑是用多路开关实现的。 lRAM查找表型FPGA：可编程逻辑模块实现组合逻辑是用RAM查找表实现的。 3、 按可编程单元分： l 基于RAM的FPGA 这种类型的FPGA一般采用RAM查找表实现逻辑功能，而采用RAM单元控制的电子开关作为编程单元，由于FPGA的功能取决于RAM中的内容，所以改变RAM中的内容就可改变FPGA的电路功能，这种类型的F
6、PGA可实现系统内可重复编程（In-system reprogrammability）,l 逆熔丝型的FPGA 这种类型的FPGA的编程单元采用逆容丝，由于逆容丝体积非常小，所以这种类型的FPGA保密性非常好。 l FLASH型FPGA 这种类型的FPGA的编程单元采用FLASH存储器作为电子开关的控制单元，所以采用这种编程单元的FPGA既具有系统内可重复编程性，又具有非易失性（Non-volatility）。 4、 按可重复编程性分： l 一次性编程的FPGA： 这种FPGA只能编程一次，如逆熔丝型FPGA就是一次性编程的FPGA。 l 可重复编程的FPGA：这种FPGA可以反复编程，如基于
7、RAM的FPGA和FLASH型FPGA都可反复编程。,（四）、FPGA的优点 和其它类型的ASIC相比，FPGA具有以下优点： l 不需要初始投资 l 不要提前制造 l 无库存风险 l 模拟工作费时较少 l 适合样品试制和小批量生产,二、 FPGA的内部结构,FPGA内部由四部分组成：即可编程逻辑模块，可编程布线资源，可编程I/O模块。 l 可编程逻辑模块：是用来实现逻辑门及存贮单元的，理想的可编程逻辑模块应为用户提供高性能、高效、易设计的单元。 l 可编程布线资源：用来提供内部可编程逻辑模块之间及可编程逻辑模块与可编程I/O模块间的连接。 l 可编程I/O模块：为FPGA提供可编程引脚，使F
8、PGA的引脚具有输入、输出、三态及双向功能。 l 编程单元：,三、FPGA内部逻辑模块结构,1、多路开关型FPGA内部逻辑模块结构 1)多路开关实现可编程逻辑的原理 在多路开关的输入端接上不同的电平或输入信号时，可实现不同的逻辑功能。下面二选一为例说明：,当a=0时： y= s b 当a=0时，二选一可完成“与门”的功能。 当b=0时： y= s a 当b=0时，二选一也可完成“与门”的功能，但这时其中一个输入反相了。 当b=0、a=1时： y= s 当b=0、a=1时，二选一可完成“非门”的功能。 当b=1时： y= s a + s =a + s 当b=1时，二选一可完成“或门”的功能。,2
9、) ACT1 的逻辑模块： 下图为Actel公司生产的ACT1系列FPGA的逻辑模块框图，ACT1逻辑模块由三个二选一多路选择器和一个或门组成，是一个有8个输入一个输出的电路，它可实现两输入、三输入和四输入的与、或门、与非、或非门、与或门、或与门等，也可实现D型锁存器，用两个模块可实现各种类型的D触发器。,ACT1模块是如何实现三输入与门的？,2、查表型FPGA结构 两输入与门： 4 X 1 RAM 表：,四、FPGA内部I/O模块结构,FPGA的I/O引脚都可设置为：输入、输出、双向、三态四种状态,五、FPGA内部布线资源,分段连接线，分段连线的两端为编程单元，通过对编程单元的编程来决定两个
10、分段连线是否连接。,六、FPGA内部编程单元,1、 逆熔丝开关 逆熔丝开关的功能和熔丝开关正好相反，当加上编程电压后两端相连（电阻很小1k，且为永久性连接；不编程时两端电阻很大（100M）。市场上有两种类型的逆熔丝开关，分别是ACTEL公司的多晶硅- 扩散逆熔丝和QuickLogic公司的金属-金属逆熔丝（ViaLinkTM）。 l 这种逆熔丝开关的面积很小，大约9um2，电阻较小（电阻与编程电压有关），电容很小，10fF（1.2um工艺）。 2、 采用浮栅编程技术的编程单元 浮栅编程技术采用悬浮栅存储电荷的方法来保存数据，在断电时存储数据不丢失。包括三种： l EPROM：紫外线擦除、电编程
11、。 l EEPROM：一次可擦一个字 l 闪速存储器（FLASH MEMORY）：完全擦除或擦除一段。,3、 晶体管开关 80年代中期，XILINX和Altera推出了利用晶体管作为开关单元的FPGA器件。存储器单元来控制开关，而存储单元是可以擦除和重新编程的，从而使得采用这种技术的FPGA具有可重复编程性。 SRAM 开关单元由一个5个晶体管组成的RAM单元和1个通过晶体管（称为可编程互连点，PIP：Programmable Interconnect Point）组成。PIP控制分段连线的连接情况（即：连或不连），PIP受RAM单元控制，位于PIP晶体管两边的分段连线是连还是不连由RAM单元
12、的值决定。 SRAM开关单元的面积：50225m2。电阻：8001900。电容：817Ff。,七、FPGA的工作速度与速度等级,1、FPGA速度指标： 内部触发器的反转频率：是FPGA内部工作的最高速度，但由于设计电路时触发器之间有组合电路，而且布线也存在迟延，所以FPGA的实际工作速度要比触发器的反转频率低很多。 系统工作频率：即FPGA的实际工作频率，与所选芯片及电路结构有关 时钟到输出的迟延：是衡量FPGA时钟网络性能的一个指标，如：10ns 、5.6ns、4ns。 引脚到引脚的迟延：是衡量FPGA速度的一个指标，引脚到引脚的迟延越小，FPGA的实际工作速度会越高。 2、FPGA的速度等
13、级 std -1 比std快15% 2 比std快25% -3 比std快35%,八、FPGA内部逻辑模块数及触发器数,内部模块数 A54SX32A ：2880，CC：1800，RC：1080，D：1980 每个逻辑模块所含触发器的个数 ACTEL：1个 XILINX：2个,九、 FPGA内部的时钟网络,FPGA内部的时钟网络 为时序电路提供大驱动能力、时钟歪斜小的时钟，或者用作大驱动全局信号，如：reset，output，select signal。 具有时钟网络是实现同步设计的基础。 时钟网络数： 1：A40MX02 2：A42MX24 3：A54SX32A,十、 FPGA的集成度,门阵等
14、效门：一个门阵等效门定义为一个两输入端的“与非”门。 系统门：是芯片上门的总数，是厂家指定给器件的一个门数。,十一、FPGA的封装,1、引脚数：FPGA芯片总的引脚数。 2、用户I/O数：指除了电源引脚、特殊功能引脚外的引脚，这些引脚可根据用户的需要进行配置。 3、 I/O驱动电流：8mA 或10mA。 4、时钟网络数：FPGA芯片可能包含1个、2个或4个时钟网络。 5、封装：PLCC，PQFP，CPGA等封装形式。 6、工作温度范围：FPGA芯片一般有商用、工业用及军用等不同的工作温度范围。 7、工作环境：一般分普通工作环境和航天工作环境。,十二、FPGA的功耗,FPGA的功耗可用下面的公式
15、表示： P=Iccs+Icca*Vcc+Iol*Vol*N+Ioh*（Vcc-Voh）*M 其中包括静态功耗和动态功耗两部分： 静态功耗：当输入输出都不变化时的功耗 动态功耗：当输入输出变化时的功耗 在FPGA中动态功耗占主导地位。,十三、FPGA的利用率,l 模块利用率 模块利用率=所用模块数/FPGA总的模块数 l 门利用率 指所设计电路用的门数与FPGA总的系统门数之比。,十四、FPGA中的RAM,l单口RAM l同步双口RAM：Actel 公司的3200DX系列、42MX系列。 l FPGA中RAM的容量 l FPGA中RAM的速度：Actel公司的42MX系列FPGA的SRAM读写时
16、间为5ns。,十五、FPGA的JTAG接口,随着电路板复杂度的增加及表面贴装技术的快速发展，电路板的测试就变得越来越昂贵和困难。IEEE就制定了Std. 1149.1标准，由于它是Joint Test Action Group（JTAG）负责制定的，所以一般称为JTAG。JTAG通过边界扫描技术来实现对元件的性能、连接及相互作用的测试。FPGA厂商为了改善I/O引脚数很多的FPGA的可测试性与可制造性（Manufacturability）而增加的一个测试接口。,十六、FPGA的设计安全性,常用的器件的设计安全性依次为： SRAM FPGA Flash-based PLDs ASICs Antifuse FPGAs。 基于SRAM的FPGA安全性最差，较容易被仿制，而逆熔丝型FPGA安全性最好，最难仿制。,十七、 FPGA的设计流程,设计输入 设计验证 FPGA的设计过程可分为五个阶段： 设计实现 编程 测试,十八、 FPGA的选用,1、比较器件的工艺 器件的工艺决定了器件的性能、价格、功耗及工作环境及安全性 2、了解器件的性能 器件的性能包括：FPGA的容量、工作速度、封装（面积、I/O数）及安全性。 3、评价其开发工具 l了解开发系统的性能 l了解开发系统的价格 l了解开发系统销售商售后服务情况,