Xilinx FPGA内部体系结构
墨尘2018-01-22 20:33
Xilinx的FPGA的基本结构是一样的，主要由6部分组成，分别为可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等。
但随着半导体工艺的发展，FPGA的逻辑容量越来越丰富，速度更快，嵌入越来越多的硬核了，比如：ARM处理器，PCIe, ETHERNET等。在制程工艺上，Xilinx的7系列FPGA采用28 nm工艺，UltraScale采用20nm, UltraScale+ 采用16nm，每一代工艺的可用资源，比上一代就翻了一倍。
Xilinx的FPGA是基于SRAM的查找表（LUT look up table）技术，所以需要上电后重新配置。从外部非易失性存储器中读数，通过配置控制器加载到内部配置SRAM 中。
FPGA结构：
可编程I/O（输入/输出单元）
可编程I/O支持不同的IO引脚配置：IO标准、单端或差分、电压转换速率和输出强度、上拉或者下拉电阻、数控阻抗（DCI），可以使用IODELAY元件做输出延迟。
可配置逻辑块CLB（configure logic block）
可配置逻辑块是指实现各种逻辑功能的电路，是xilinx基本逻辑单元。在Xilinx FPGA中，每个可配置逻辑块包含2个Slice。每个Slice 包含查找表、寄存器、进位链和多个多数选择器构成。而Slice又有两种不同的逻辑片：SLICEM和SLICEL。SLICEM有多功能的LUT，可配置成移位寄存器，或者ROM和RAM。逻辑片中的每个寄存器可以配置为锁存器使用。
布线资源
布线资源用来连通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复位/置位的布线；
第二类是长线资源，用于完成Bank间的高速信号；
第三类是短线资源，用于完成基本逻辑单元之间的逻辑互联和布线；
第四类是分布式布线资源，用于专有时钟、复位等控制信号线。
时钟资源
时钟资源分为全局时钟资源、区域时钟资源和I/O时钟资源。
(1)全局时钟网络是一种全局布线资源，它可以保证时钟信号到达各个目标逻辑单元的时延基本相同。
(2) 区域时钟网络是一组独立于全局时钟网络的时钟网络。
(3) I/O时钟资源可用于局部I/O串行器/解串器电路设计。对于源同步接口设计尤其有用。
嵌入存储器
Xilinx FPGA的嵌入式存储器有两种类型：专用Block RAM（BRAM）和可配置成为分布式RAM的LUT。BRAM（Block RAM）是双端口的RAM，数量因器件而定，每个Virtex-4 BRAM 可存储18Kbit的数据，支持同步读写操作，两个端口对称且完全独立，共享数据，每个端口可以根据需要改变其位宽和深度。BRAM可以配置为单端口RAM、双端口RAM、内容可寻址存储器（CAM）以及FIFO等。BRAM提供专用的控制逻辑实现同步/异步FIFO，其中的控制逻辑如计数器，比较器和状态标记等不会占用额外的CLB资源。
在FIFO模式下，BRAM的端口A是读端口，端口B是写端口。对数据流操作是自动的，用户不必关心BRAM的编址顺序，当特殊应用需要时引出WRCOUNT和RDCOUNT。用户需要检测FULL和EMPTY标记。可以设置这两个标记值，将其配置到FIFO地址段内的任何位置。
内嵌专用硬核
FPGA除以上的资源和功能模块外，还有时钟管理（MMCM）：数字时钟管理模块（DCM）与相位匹配时钟分频器（PCMD），DSP模块等。 DSP模块可提供高性能、低功耗的运算单元。它能够实现乘法-累加单元。还提供了专用的收发器模块，实现串行器/解串器（SerDes）功能，比如RocketIO模块，以太网模块（Ethernet MAC）模块，ARM核。
总之，随着FPGA的内部资源会变得越来越丰富，不仅在原来的在网络、电信、医疗、工业等多个领域有广泛的应用，而且在数据中心，云计算等新领域中进一步开疆拓土。
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