【FPGA - 基础知识（零）】FPGA芯片资源介绍 FPGA-基础知识

前言 FPGA芯片主要由6部分完成，分别为：

可编程输入输出单元（IOB）
基本可编程逻辑单元（configurable logic block，CLB）
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

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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。

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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。

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Slice是Xilinx公司定义的基本逻辑单位，其内部结构如图1-4所示，一个Slice由两个4输入的函数、进位逻辑、算术逻辑、存储逻辑和函数复用器组成。算术逻辑包括一个异或门（XORG）和一个专用与门（MULTAND），一个异或门可以使一个Slice实现 2bit全加操作，专用与门用于提高乘法器的效率；进位逻辑由专用进位信号和函数复用器（MUXC）组成，用于实现快速的算术加减法操作；4输入函数发生器用于实现4输入LUT、分布式RAM或16比特移位寄存器（Virtex-5系列芯片的Slice中的两个输入函数为6输入，可以实现6输入LUT或 64比特移位寄存器）；进位逻辑包括两条快速进位链，用于提高CLB模块的处理速度

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3．数字时钟管理模块（DCM）
业内大多数FPGA均提供数字时钟管理（Xilinx的全部FPGA均具有这种特性）。Xilinx推出最先进的FPGA提供数字时钟管理和相位环路锁定。相位环路锁定能够提供精确的时钟综合，且能够降低抖动，并实现过滤功能。
4．嵌入式块RAM（BRAM）
大多数FPGA都具有内嵌的块RAM，这大大拓展了FPGA的应用范围和灵活性。块RAM可被配置为单端口RAM、双端口RAM、内容地址存储器（CAM）以及FIFO等常用存储结构。RAM、FIFO是比较普及的概念，在此就不冗述。CAM存储器在其内部的每个存储单元中都有一个比较逻辑，写入 CAM中的数据会和内部的每一个数据进行比较，并返回与端口数据相同的所有数据的地址，因而在路由的地址交换器中有广泛的应用。除了块RAM，还可以将 FPGA中的LUT灵活地配置成RAM、ROM和FIFO等结构。在实际应用中，芯片内部块RAM的数量也是选择芯片的一个重要因素。
例如：单片块RAM的容量为18k比特，即位宽为18比特、深度为1024，可以根据需要改变其位宽和深度，但要满足两个原则：首先，修改后的容量（位宽深度）不能大于18k比特；其次，位宽最大不能超过36比特。当然，可以将多片块RAM级联起来形成更大的RAM，此时只受限于芯片内块RAM的数量，而不再受上面两条原则约束

5．丰富的布线资源
布线资源连通FPGA内部的所有单元，而连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。FPGA芯片内部有着丰富的布线资源，根据工艺、长度、宽度和分布位置的不同而划分为４类不同的类别。第一类是全局布线资源，用于芯片内部全局时钟和全局复位/置位的布线；第二类是长线资源，用以完成芯片 Bank间的高速信号和第二全局时钟信号的布线；第三类是短线资源，用于完成基本逻辑单元之间的逻辑互连和布线；第四类是分布式的布线资源，用于专有时钟、复位等控制信号线。
在实际中设计者不需要直接选择布线资源，布局布线器可自动地根据输入逻辑网表的拓扑结构和约束条件选择布线资源来连通各个模块单元。从本质上讲，布线资源的使用方法和设计的结果有密切、直接的关系。
6．底层内嵌功能单元
内嵌功能模块主要指DLL（Delay Locked Loop）、PLL（Phase Locked Loop）、DSP和CPU等软处理核（Soft Core）。现在越来越丰富的内嵌功能单元，使得单片FPGA成为了系统级的设计工具，使其具备了软硬件联合设计的能力，逐步向SOC平台过渡。
DLL和PLL具有类似的功能，可以完成时钟高精度、低抖动的倍频和分频，以及占空比调整和移相等功能。Xilinx公司生产的芯片上集成了 DLL，Altera公司的芯片集成了PLL，Lattice公司的新型芯片上同时集成了PLL和DLL。PLL 和DLL可以通过IP核生成的工具方便地进行管理和配置。DLL的结构如图1-5所示。

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7. 内嵌专用硬核
内嵌专用硬核是相对底层嵌入的软核而言的，指FPGA处理能力强大的硬核（Hard Core），等效于ASIC电路。为了提高FPGA性能，芯片生产商在芯片内部集成了一些专用的硬核。例如：为了提高FPGA的乘法速度，主流的FPGA 中都集成了专用乘法器；为了适用通信总线与接口标准，很多高端的FPGA内部都集成了串并收发器（SERDES），可以达到数十Gbps的收发速度。Xilinx公司的高端产品不仅集成了Power PC系列CPU，还内嵌了DSP Core模块，其相应的系统级设计工具是EDK和Platform Studio，并依此提出了片上系统（System on Chip）的概念。通过PowerPC、Miroblaze、Picoblaze等平台，能够开发标准的DSP处理器及其相关应用，达到SOC的开发目的。

（1）软核
软核在EDA设计领域指的是综合之前的寄存器传输级（RTL）模型；具体在FPGA设计中指的是对电路的硬件语言描述，包括逻辑描述、网表和帮助文档等。软核只经过功能仿真，需要经过综合以及布局布线才能使用。其优点是灵活性高、可移植性强，允许用户自配置；缺点是对模块的预测性较低，在后续设计中存在发生错误的可能性，有一定的设计风险。软核是IP核应用最广泛的形式。

（2）固核
固核在EDA设计领域指的是带有平面规划信息的网表；具体在FPGA设计中可以看做带有布局规划的软核，通常以RTL代码和对应具体工艺网表的混合形式提供。将RTL描述结合具体标准单元库进行综合优化设计，形成门级网表，再通过布局布线工具即可使用。和软核相比，固核的设计灵活性稍差，但在可靠性上有较大提高。目前，固核也是IP核的主流形式之一。

（3）硬核
硬核在EDA设计领域指经过验证的设计版图；具体在FPGA设计中指布局和工艺固定、经过前端和后端验证的设计，设计人员不能对其修改。不能修改的原因有两个：首先是系统设计对各个模块的时序要求很严格，不允许打乱已有的物理版图；其次是保护知识产权的要求，不允许设计人员对其有任何改动。IP硬核的不许修改特点使其复用有一定的困难，因此只能用于某些特定应用，使用范围较窄。
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可配置逻辑单元（CLB）详述

可配置逻辑单元（Configurable Logic Block，CLB）在FPGA中最为丰富，由两个SLICE组成。由于SLICE有SLICEL（L：Logic）和SLICEM（M：Memory）之分，因此CLB可分为CLBLL和CLBLM两类。

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点击内部的逻辑单元，通过阴影区别包含的范围，你可以清晰的看到结构划分的层级。在旁边窗口可以清晰的看到选中部分的属性（Properties）。
来，再放大，放大到一个SLICEL，如下图所示。

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SLICEL和SLICEM内部都包含4个6输入查找表（Look-Up-Table，LUT6）、3个数据选择器（MUX）、1个进位链（Carry Chain）和8个触发器（Flip-Flop），下面分部分介绍的时候，时不时可以再回头看这张结构图。
2.1 6输入查找表（LUT6）
虽然SLICEL和SLICEM的结构组成一样，但两者更细化的结构上略有不同，区别在于LUT6上（如下图所示），从而导致LUT6的功能有所不同（如下表格所示）。

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LUT功能	SLICEL	SLICEM
逻辑函数发生器	v	v
ROM	v	v
分布式RAM		v
移位寄存器		v

上边的功能可以看到，不论是SLICEL还是SLICEM，他们的LUT6都可以作为ROM使用，配置为64x1（占用1个LUT6，64代表深度，1代表宽度）、128x1（占用2个LUT6）和256（占用4个LUT6）的ROM。
另外既然SLICEM中的M代表memory的意思，所以增加了更多存储功能。可以配置为RAM，尤其指分布式RAM。其中RAM的写操作为同步，而读操作是异步的，即与时钟信号无关。如果要实现同步读操作，则要额外占用一个触发器，从而增加了意识时钟的延迟（Latency），但提升了系统的性能。这就解释了为什么我们实现RAM同步读写的时候，读出输出要延迟一个clk。一个LUT6可配置64x1的RAM，当RAM的深度大于64时，会占用额外的MUX（F7AMUX，F7BMUX，F8MUX，即一个SLICE中的那3个MUX）。
SLICEM中的LUT还可以配置为移位寄存器，每个LUT6可实现深度为32的移位寄存器，且同一个SLICEM中的LUT6（4个）可级联实现128深度的移位寄存器。
2.2 选择器（MUX）
SLICE中的三个MUX（Multiplexer：F7AMUX，F7BMUX和F8MUX）可以和LUT6联合共同实现更大的MUX。事实上，一个LUT6可实现4选1的MUX。
SLICE中的F7MUX（F7AMUX和F7BMUX）的输入数据来自于相邻的两个LUT6的O6端口。
一个F7MUX和相邻的两个LUT6可实现一个8选1的MUX。因此，一个SLICE可实现2个8选1的MUX。
4个LUT6、F7AMUX、F7BMUX和F8MUX可实现一个16选1的MUX。因此，一个SLICE可实现一个16选1的MUX。
2.3 进位链（Carry Chain）
进位链用于实现加法和减法运行。就是结构图中，中间那个大的部分，可以看到它内部实际还包含4个MUX和4个2输入异或门（XOR）。
异或运算是加法运算中必不可少的运算。
2.4 触发器（Flip-Flop）
每个SLICE中有8个触发器。这个8个触发器可分为两大类：4个只能配置为边沿敏感的D触发器（Flip-Flop）和4个即可配置为边沿敏感的D触发器又可配置为电平敏感的锁存器（Flop&Latch）。当后者被用作锁存器的时候，前者将无法使用。