FPGA架构和应用基础知识

lrzk

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。