FPGA基礎(chǔ)知識及其工作原理

高端設(shè)計工具為少有甚是沒有硬件設(shè)計技術(shù)的工程師和科學(xué)家提供現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)。無論你使用圖形化設(shè)計程序，ANSI C語言還是VHDL語言，如此復(fù)雜的合成工藝會不禁讓人去想FPGA真實的運作情況。在這個芯片中的程序在這些可設(shè)置硅片間到底是如何工作的。本文會使非數(shù)字化設(shè)計人員明白FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)的基礎(chǔ)知識及其工作原理。此信息在使用高端設(shè)計工具時同樣十分有用，希望可以為理解這一特別技術(shù)提供一些線索。

1. FPGA-現(xiàn)場可編程門陣列

每一塊FPGA芯片都是由有限多個帶有可編程連接的預(yù)定義源組成來實現(xiàn)一種可重構(gòu)數(shù)字電路。

圖1.FPGA不同構(gòu)成

FPGA芯片說明書中，包含了可編程邏輯模塊的數(shù)量、固定功能邏輯模塊(如乘法器)的數(shù)目及存儲器資源(如嵌入式RAM)的大小。FPGA芯片中還有很多其它的部分，但是以上指標通常是為特定應(yīng)用選擇和比較FPGA時，最重要的參考指標。

在最底層，可配置邏輯模塊(如片或邏輯單元)有著兩種最基本的部件：觸發(fā)器和查找表(LUT)。這很重要，因為各種FPGA家族之所以各不相同，就是因為觸發(fā)器和查找表組合的方式不同。例如，Virtex-II 系列的FPGA ，它的片具有兩個查找表和兩個觸發(fā)器，而Virtex-5 FPGA的片具有4個查找表和4個觸發(fā)器。查找表本身的結(jié)構(gòu)也可能各不相同(4輸入或6輸入)。關(guān)于查找表工作原理的更多信息將在后面的章節(jié)中給出。

表1中列出了在NI LabVIEW FPGA硬件目標中使用的FPGA的指標。邏輯門的數(shù)量是一種將FPGA芯片與ASIC技術(shù)進行比較的傳統(tǒng)方法，但是它并不能真實地表述FPGA內(nèi)部的獨立單元的數(shù)量。這就是Xilinx公司沒有在新型Virtex-5系列中指定邏輯門數(shù)量的原因之一。

表1.不同系列FPGA源規(guī)格

為了更好地理解這些規(guī)格的意義，將編碼考慮為合成的數(shù)字電路模式。對任何一段合成代碼，或圖形化或文本形式，都有相應(yīng)的電路圖反映邏輯組件該如何連線。通過一段簡單布爾邏輯電路了解下相應(yīng)的示意圖。圖2表示的是傳遞5個布爾信號并且可圖形化計算所得的二進制值的功能組。

圖2.載入5個信號的簡單布爾邏輯

在通常情況下(LabVIEW SCTL—單周期定時環(huán)路外)，圖2所示相應(yīng)電路圖同圖3所示相近。

圖3.為圖2中布爾邏輯的相應(yīng)電路圖

雖然很難明白，但是實際上這里創(chuàng)建了兩個并行分支的電路。最上面的5條黑線被反饋到第一個分支，它在每個布爾操作間添加了觸發(fā)器。最下面的5條黑線構(gòu)成了第二個邏輯鏈。其中一支路在每步操作之間增加了同步寄存器，另一條邏輯鏈是確保執(zhí)行數(shù)據(jù)流的。本電路圖正常工作時總共需要12個觸發(fā)器和12個查找表。上端分支和每個元件將在以后章節(jié)分析。

2. 觸發(fā)器

圖4.觸發(fā)器符號

觸發(fā)器是二進制移位寄存器，用于同步邏輯以及保存時鐘(脈沖)周期內(nèi)的邏輯狀態(tài)。在每個時間(脈沖)邊沿，觸發(fā)器在輸入時鎖定1(真)或0(假)值并且保存此值直到下次時鐘(脈沖)邊沿。在正常情況下，LabVIEW FPGA在每次操作之間都設(shè)置一個觸發(fā)器，以保證有足夠的時間來執(zhí)行每步操作。對此律的例外只發(fā)生在SCTL結(jié)構(gòu)中寫代碼的情況。在這個特殊的環(huán)路結(jié)構(gòu)中，觸發(fā)器只放置在閉環(huán)迭代的始末段，并且由編程者考慮定時因素來決定如何放置。對SCTL內(nèi)代碼如何同步的更多內(nèi)容將在以后章節(jié)中討論。圖5表示的是圖3的上端分支，觸發(fā)器由紅色高亮表示。

圖5.繪制由紅色高亮表示出觸發(fā)器的電路圖

3. 查找表

圖6.雙四輸入查找表

圖6所示示意圖中的其他邏輯電路通過使用少量查找表形式的隨機存取存儲器實現(xiàn)。我們可以簡單地假定FPGA中系統(tǒng)門的數(shù)量可參考與非門(NAND)以及或非門(NOR)的數(shù)量，但實際上，所有的組合邏輯(與門、或門、與非門、異或門等)都是通過查找表存儲器中的真值表來實現(xiàn)。真值表是輸出對應(yīng)于每個輸入值組合的預(yù)定義表(現(xiàn)在卡諾圖的重要性在你的頭腦中可能會慢慢淡化)。以下是對數(shù)字邏輯電路課程的快速回顧：比如，圖7是布爾邏輯與門操作過程。

這是對數(shù)字邏輯課程的快速回顧：

例如，圖7中顯示了布爾型AND操作。

圖7.布爾型AND操作

表2.布爾與門操作的真值表

你可以認為輸入值是所有輸出值的數(shù)字索引，如表3所示。

表3.布爾與門擦操作的真值查找表實現(xiàn)

Virtex-II和Spartan-3系列FPGA芯片有著4輸入查找表來實現(xiàn)真正的4輸入信號的16種組合。圖8就是一個四輸入電路實現(xiàn)的例子。

圖8.輸入布爾邏輯的四信號電路

表4所示為使用雙四輸入查找表實現(xiàn)的相應(yīng)的真值表。

表4.圖8中所示相應(yīng)真值表

Virtex-5系列的FPGA使用雙六輸入查找表，可以通過6個不同輸入信號的64種組合來實現(xiàn)真值表。因為觸發(fā)器之間的組合邏輯十分復(fù)雜，所以在LabVIEW FPGA中使用SCTL也越來越重要。下一節(jié)將講述SCTL如何優(yōu)化利用LabVIEW中的FPGA源。

4. SCTL

上幾節(jié)中使用的代碼例子假定代碼是設(shè)置在SCTL外部，并為保證執(zhí)行同步數(shù)據(jù)量也同步了附加電路。SCTL是LabVIEW FPGA中一個特殊結(jié)構(gòu)，生成一個更為優(yōu)化的電路圖，以期望達到在一個時鐘(脈沖)周期內(nèi)執(zhí)行完所有邏輯電路分支。例如，若設(shè)置SCTL在40MHZ運行，則所有邏輯電路分支將在25ns內(nèi)執(zhí)行完畢。

如果在SCTL中設(shè)置前例中同樣的布爾邏輯電路(如圖9所示)，則生成如圖10所示的相應(yīng)電路示意圖。

圖9.附有STCL的簡單布爾邏輯

圖10.圖9所示布爾邏輯相應(yīng)的電路圖

很明顯，這種實現(xiàn)方法簡單多了。在Virtex-II或Spartan-3系列FPGA中，觸發(fā)器間的邏輯需要至少2個4輸入查找表，如圖11所示。

圖11.圖10中電路圖的雙四輸入查找表實現(xiàn)

由于Virtex-5系列FPGA有著6輸入的查找表，用戶可以在一個查找表中實現(xiàn)相同數(shù)量的邏輯，如圖12所示。

圖12.圖10中雙六輸入查找表實

本例中使用的SCTL(如圖9所示)設(shè)置在40MHZ下運行，這意味著在任意觸發(fā)器之間邏輯電路必須在25ns內(nèi)完成執(zhí)行。電子在電路中傳播的速度決定了代碼執(zhí)行的最大速度。關(guān)鍵路線是有最長傳播延遲的邏輯電路分支，它決定了該部分電路中理論最大時鐘速率。Virtex-5 FPGA上的雙六輸入查找表不僅減少實現(xiàn)給定邏輯電路所需要的查找表總數(shù)，而且減少電子通過邏輯電路的傳播延遲(時間)。Virtex-5系列FPGA中的6輸入查找表不僅可以減少實現(xiàn)特定邏輯而需要的查找表的數(shù)量，而且可以降低邏輯中電流的傳輸延時。這意味著，您可簡單地通過選擇一個基于Virtex-5的硬件指標設(shè)置相同的SCTL，追求更快的時間速度。

5. 乘數(shù)器和DSP片

圖13.乘數(shù)器功能

看起來簡單的兩數(shù)相乘運算在數(shù)字電路中實現(xiàn)起來是十分復(fù)雜的，也是極為消耗資源的。為提供相關(guān)參考，圖14所示是一種使用組合邏輯電路實現(xiàn)4×4字節(jié)乘數(shù)器的示意圖。

圖14.兩個4字節(jié)輸入相乘的電路圖

試想兩個32字節(jié)的數(shù)字相乘要通過2000多步操作才能得到結(jié)果。因此，F(xiàn)PGA預(yù)設(shè)了乘數(shù)器電路，在數(shù)學(xué)和信號處理應(yīng)用中保存對查找表和觸發(fā)器使用。Virtex-II和Spartan-3 FPGA擁有18×18bit乘法器，所以兩個32字節(jié)數(shù)字相乘的運算需要三個乘法器來實現(xiàn)。許多信號處理算法都包括連乘運算結(jié)果的功能，因此Virtex-5等高性能FPGA都預(yù)設(shè)被稱為DSP片的乘數(shù)器累加電路.這些預(yù)設(shè)處理組件，也被稱為DSP48片，包括25×18bit乘數(shù)器以及加法器電路，盡管您可單獨使用乘數(shù)器功能。表5所示為不同F(xiàn)PGA系列DSP決策。

表5.不同F(xiàn)PGA的DSP源

6. 塊隨機存取存儲器(RAM)

選擇FPGA時，記憶源是另一個需要考慮的關(guān)鍵因素。嵌入FPGA芯片中的用戶自定義隨機存取存儲器(RAM)，對儲存數(shù)據(jù)設(shè)置或平行環(huán)路之間傳送數(shù)值很有幫助?；贔PGA系列，您可在16或36kb組件中設(shè)置板載RAM，或者使用觸發(fā)器以數(shù)組來執(zhí)行數(shù)據(jù)設(shè)置;然而，對于FPGA邏輯源來說，大型數(shù)組很快就變得十分“奢侈”。由100個32字節(jié)元素數(shù)組可消耗Virtex-II 1000 FPGA中超過30%的觸發(fā)器，或者占用少于1%的嵌入式塊RAM。DSP算法通常需要追蹤整個數(shù)據(jù)塊或是復(fù)雜等式的系數(shù)，而在沒有板載存儲器情況下，許多處理功能在FPGA芯片的硬件邏輯電路中都不適用。圖16所示為使用塊RAM讀寫存儲器的圖形化功能。

圖15.用于讀寫存儲器的塊RAM函數(shù)

同樣，你也可以使用內(nèi)存塊，將一段完整周期存儲為數(shù)值和索引的順序表，為板載信號發(fā)生器存儲周期性波形數(shù)據(jù)。輸出信號的最終頻率由檢索數(shù)值的速度決定，這樣您就可用此方法動態(tài)改變輸出頻率，而不需要輸入波形中的急劇變化。

圖17.用于先進先出緩沖器的塊RAM功能

FPGA固有的并行執(zhí)行要求邏輯電路獨立元件可在不用時間脈沖下驅(qū)動。在不同運行速度下的邏輯電路之間傳遞數(shù)據(jù)是很棘手的。使用先進先出(FIFO)緩沖器時，板載存儲器可用來是傳輸更加平穩(wěn)。如圖16所示，用戶可以將FIFO緩沖器配置成不同大小以確保數(shù)據(jù)在FPGA芯片的非同步部件間不會丟失。表6所示為嵌入不同F(xiàn)PGA系列的用戶可設(shè)置快RAM。

表6.不同F(xiàn)PGA的記憶源

7. 總結(jié)

隨著高端技術(shù)的發(fā)展以及新概念的深入概括，F(xiàn)PGA技術(shù)地采用將不斷增加。然而探究FPGA其中奧秘，感嘆這硅片中在方框圖間匯編出的變化，也是十分重要的。在發(fā)展階段，如果您懂得如何利用和優(yōu)化資源，比較和選擇觸發(fā)器、查找表、乘數(shù)器和塊RAM等硬件指標是十分有幫助的。 這些基本的功能塊并不是包含所有資源的完整清單，而且這篇白皮書并沒有包含對所有FPGA部件的討論。