FPGA的基本原理详细入门.pptx
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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、十七、FPGA的设计流程十八、十八、FPGA的选用一、什么是FPGA?(一)、什么是PLD?lPLD即ProgrammableLogicDevice,称为可编程逻辑器件。按照制
2、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Programmablearraylogic,是70年代末80年代初由MonolithicMemoriesInc。(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。lGAL即GenericArrayLogic,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P
3、LD,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(FieldprogrammableGateArray)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:MPG
4、A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
5、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FPGA可实现系统内可重复编程(In-systemreprogrammability)l逆熔丝型的FPGA这种类型的FPGA的编程单元采用逆容
6、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。lFLASH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
7、 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LMI/OModulesFPGA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
8、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:absyY=sa+sbs当a=0时:y=sb当a=0时,二选一可完成“与门”的功能。当b=0时:y=sa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=sa+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、
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