一些更常见的FPGA知识
eeskill 2022-01-17

FPGA代表现场可编程门阵列,它是一种半导体逻辑芯片,可编程成几乎任何类型的系统或数字电路,类似于PLD。PLD仅限于数百个门,但FPGA支持数千个门。FPGA架构的配置通常使用语言来指定,即HDL(硬件描述语言),其类似于用于ASIC(专用集成电路)的语言。

与固定功能ASIC技术(如标准单元)相比,FPGA可提供许多优势。通常,ASIC需要数月才能制造出来,并且它们的成本将达到数千美元才能获得该设备。但是,FPGA的制造时间不到一秒钟,成本从几美元到一千美元不等。FPGA的灵活性在很大程度上降低了成本,功耗和延迟。与标准单元ASIC相比,FPGA需要20到35倍的面积,速度性能比ASIC慢3到4倍。本文介绍了FPGA的基础知识和FPGA架构模块,包括I / O焊盘,逻辑块和开关矩阵。FPGA是VLSI的一些新兴趋势领域。

FPGA架构

通用FPGA架构由三种类型的模块组成。它们是I / O块或焊盘,开关矩阵/互连线和可配置逻辑块(CLB)。基本FPGA架构具有二维逻辑块阵列,其具有用于用户安排逻辑块之间的互连的装置。下面讨论FPGA架构模块的功能:

CLB(可配置逻辑块)包括数字逻辑,输入和输出。它实现了用户逻辑。

互连提供逻辑块之间的方向以实现用户逻辑。

根据逻辑,开关矩阵提供互连之间的切换。

用于外部世界的I / O垫与不同的应用程序通信。

逻辑块包含MUX(多路复用器),D触发器和LUT。LUT实现了组合逻辑功能; MUX用于选择逻辑,D触发器存储LUT的输出。

FPGA的基本构建模块是基于查找表的函数发生器。LUT的输入数量从3,4,6变化,甚至在实验后变为8。现在,我们有自适应LUT,每个LUT提供两个输出,并实现两个函数发生器。

Xilinx Virtex-5是最受欢迎的FPGA,它包含一个与MUX连接的查找表(LUT)一个如上所述的触发器。目前的FPGA由大约数百或数千个可配置逻辑块组成。对于配置FPGA,Modelsim和Xilinx ISE软件用于生成比特流文件和用于开发。

基于应用的FPGA类型

现场可编程门阵列基于低端FPGA,中档FPGA和高端FPGA等应用分为三类。

低端FPGA

这些类型的FPGA设计用于低功耗,低逻辑密度和每芯片低复杂度。低端FPGA的例子是Altera的Cyclone系列,Xilinx的Spartan系列,Microsemi的融合系列和莱迪思半导体的Mach XO / ICE40。

中端FPGA

这些类型的FPGA是低端和高端FPGA之间的最佳解决方案,它们是在性能和成本之间取得平衡而开发的。中端FPGA的示例是来自Altera的Arria,来自Xlinix的Artix-7 / Kintex-7系列,来自Microsemi的IGL002和来自莱迪思半导体的ECP3和来自莱迪思半导体的ECP5系列。

高端FPGA

这些类型的FPGA是为逻辑密度和高性能而开发的。高端FPGA的例子有Altera的Stratix系列,Xilinx的Virtex系列,Achronix的Speedster 22i系列和Microsemi的ProASIC3系列。

FPGA的应用:

FPGA在过去十年中获得了快速增长,因为它们适用于广泛的应用。FPGA的具体应用包括数字信号处理,生物信息学,设备控制器,软件定义无线电,随机逻辑,ASIC原型设计,医学成像,计算机硬件仿真,集成多个SPLD,语音识别,加密,过滤和通信编码等等。

通常,FPGA保留用于生产量较小的特定垂直应用。对于这些小批量应用,顶级公司支付每单位硬件成本。如今,新的性能动态和成本扩展了可行的应用范围。

一些更常见的FPGA应用包括:航空航天和国防,医疗电子,ASIC原型,音频,汽车,广播,消费电子,分布式货币系统,数据中心,高性能计算,工业,医疗,科学仪器,安全系统,视频和图像处理,有线通信,无线通信。

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