FPGA的基本原理(详细+入门)教学内容.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,FPGA的基本原理(详细+入门),（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-grain,）：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。,l,RAM,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,FPGA,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,LM,I/O Modules,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,FPGA,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：,a,b,s,y,Y=s a +sb,s,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),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？,GND,Y,A,B,C,Y,2,查表型,FPGA,结构,两输入与门：,4 X 1 RAM,表：,A,B,C,0,0,0,0,1,0,1,0,0,1,1,1,A1,A0,Y,0,0,0,0,1,0,1,0,0,1,1,1,四、,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（,ViaLink,TM,）。,l,这种逆熔丝开关的面积很小，大约,9um,2,，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。,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,单元的值决定。,SRAM,开关单元的面积：,50225m,2,。电阻：,8001900,电容：,817Ff,。,七、,F,PGA,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,此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢,