FPGA的組成架構(gòu)、類(lèi)型及應(yīng)用講解

FPGA代表現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是一種半導(dǎo)體邏輯芯片，可編程成幾乎任何類(lèi)型的系統(tǒng)或數(shù)字電路，類(lèi)似于PLD。PLD僅限于數(shù)百個(gè)門(mén)，但FPGA支持?jǐn)?shù)千個(gè)門(mén)。FPGA架構(gòu)的配置通常使用語(yǔ)言來(lái)指定，即HDL（硬件描述語(yǔ)言），其類(lèi)似于用于ASIC（專(zhuān)用集成電路）的語(yǔ)言。

與固定功能ASIC技術(shù)（如標(biāo)準(zhǔn)單元）相比，F(xiàn)PGA可提供許多優(yōu)勢(shì)。通常，ASIC需要數(shù)月才能制造出來(lái)，并且它們的成本將達(dá)到數(shù)千美元才能獲得該設(shè)備。但是，F(xiàn)PGA的制造時(shí)間不到一秒鐘，成本從幾美元到一千美元不等。FPGA的靈活性在很大程度上降低了成本，功耗和延遲。與標(biāo)準(zhǔn)單元ASIC相比， FPGA需要20到35倍的面積，速度性能比ASIC慢3到4倍。本文介紹了FPGA的基礎(chǔ)知識(shí)和FPGA架構(gòu)模塊，包括I / O焊盤(pán)，邏輯塊和開(kāi)關(guān)矩陣。FPGA是VLSI的一些新興趨勢(shì)領(lǐng)域。

FPGA架構(gòu)

通用FPGA架構(gòu)由三種類(lèi)型的模塊組成。它們是I / O塊或焊盤(pán)，開(kāi)關(guān)矩陣/互連線和可配置邏輯塊（CLB）。基本FPGA架構(gòu)具有二維邏輯塊陣列，其具有用于用戶安排邏輯塊之間的互連的裝置。下面討論FPGA架構(gòu)模塊的功能：

CLB（可配置邏輯塊）包括數(shù)字邏輯，輸入和輸出。它實(shí)現(xiàn)了用戶邏輯。

互連提供邏輯塊之間的方向以實(shí)現(xiàn)用戶邏輯。

根據(jù)邏輯，開(kāi)關(guān)矩陣提供互連之間的切換。

用于外部世界的I / O墊與不同的應(yīng)用程序通信。

邏輯塊包含 MUX（多路復(fù)用器），D觸發(fā)器和LUT。LUT實(shí)現(xiàn)了組合邏輯功能； MUX用于選擇邏輯，D觸發(fā)器存儲(chǔ)LUT的輸出。

FPGA的基本構(gòu)建模塊是基于查找表的函數(shù)發(fā)生器。LUT的輸入數(shù)量從3，4，6變化，甚至在實(shí)驗(yàn)后變?yōu)??，F(xiàn)在，我們有自適應(yīng)LUT，每個(gè)LUT提供兩個(gè)輸出，并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)函數(shù)發(fā)生器。

Xilinx Virtex-5是最受歡迎的FPGA，它包含一個(gè)與MUX連接的查找表（LUT）一個(gè)如上所述的觸發(fā)器。目前的FPGA由大約數(shù)百或數(shù)千個(gè)可配置邏輯塊組成。對(duì)于配置FPGA，Modelsim和Xilinx ISE軟件用于生成比特流文件和用于開(kāi)發(fā)。

基于應(yīng)用的FPGA類(lèi)型

現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列基于低端FPGA，中檔FPGA和高端FPGA等應(yīng)用分為三類(lèi)。

低端FPGA

這些類(lèi)型的FPGA設(shè)計(jì)用于低功耗，低邏輯密度和每芯片低復(fù)雜度。低端FPGA的例子是Altera的Cyclone系列，Xilinx的Spartan系列，Microsemi的融合系列和萊迪思半導(dǎo)體的Mach XO / ICE40。

中端FPGA

這些類(lèi)型的FPGA是低端和高端FPGA之間的最佳解決方案，它們是在性能和成本之間取得平衡而開(kāi)發(fā)的。中端FPGA的示例是來(lái)自Altera的Arria，來(lái)自Xlinix的Artix-7 / Kintex-7系列，來(lái)自Microsemi的IGL002和來(lái)自萊迪思半導(dǎo)體的ECP3和來(lái)自萊迪思半導(dǎo)體的ECP5系列。

高端FPGA

這些類(lèi)型的FPGA是為邏輯密度和高性能而開(kāi)發(fā)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的應(yīng)用：

FPGA在過(guò)去十年中獲得了快速增長(zhǎng)，因?yàn)樗鼈冞m用于廣泛的應(yīng)用。FPGA的具體應(yīng)用包括數(shù)字信號(hào)處理，生物信息學(xué)，設(shè)備控制器，軟件定義無(wú)線電，隨機(jī)邏輯，ASIC原型設(shè)計(jì)，醫(yī)學(xué)成像，計(jì)算機(jī)硬件仿真，集成多個(gè)SPLD，語(yǔ)音識(shí)別，加密，過(guò)濾和通信編碼等等。

通常，F(xiàn)PGA保留用于生產(chǎn)量較小的特定垂直應(yīng)用。對(duì)于這些小批量應(yīng)用，頂級(jí)公司支付每單位硬件成本。如今，新的性能動(dòng)態(tài)和成本擴(kuò)展了可行的應(yīng)用范圍。

一些更常見(jiàn)的FPGA應(yīng)用包括：航空航天和國(guó)防，醫(yī)療電子，ASIC原型，音頻，汽車(chē)，廣播，消費(fèi)電子，分布式貨幣系統(tǒng)，數(shù)據(jù)中心，高性能計(jì)算，工業(yè)，醫(yī)療，科學(xué)儀器，安全系統(tǒng)，視頻和圖像處理，有線通信，無(wú)線通信。
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