給MCU工程師詳解FPGA硬件屬性

我的許多朋友都是經(jīng)驗豐富的嵌入式設(shè)計工程師，但他們都是微控制器(MCU)背景，因此對于FPGA是什么以及FPGA能做什么只有一個模糊的概念。如果問急了，他們會說“你可以通過配置FPGA讓它做不同的事情”諸如此類的話，但他們真的不是很清楚FPGA里面有什么，或者如何在設(shè)計中使用FPGA。

事實上，MCU對有些任務(wù)來說是很適合的，但對其它一些任務(wù)來說可能做的并不好。舉例來說，當需要并行執(zhí)行大量計算任務(wù)時，F(xiàn)PGA可能會讓你喜出望外。在本文中我們將討論FPGA的硬件屬性。

簡單的FPGA構(gòu)造

在集成電路領(lǐng)域人們經(jīng)常會聽到構(gòu)造(fabric)這個術(shù)語，它指的是FPGA器件的底層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。(作為一個興趣點，單詞“構(gòu)造”來自中世紀英語fabryke，意思是“建造的某些東西”)。下面讓我們從FPGA中的內(nèi)核可編程構(gòu)造開始吧……

如果我們仔細觀察FPGA封裝的內(nèi)部，我們將看到硅片(技術(shù)術(shù)語裸片)?？删幊虡?gòu)造表現(xiàn)為可編程邏輯塊陣列，如下圖所示。如果我們用放大鏡“放大查看”，我們可以看到這種構(gòu)造由沉浸于可編程互連“海洋”中的許多邏輯“島”(可編程邏輯塊)組成。

圖1：簡單的FPGA構(gòu)造。

基本FPGA可編程構(gòu)造的一般性表示。

是啊，我確實是用自己的雙手親自創(chuàng)作的這幅圖片，我因此感到非常自豪呢，非常感謝你加以關(guān)注。如果我們進一步放大，我們可以看到，每個可編程模塊都包含有許多數(shù)字功能。在這個例子中，我們可以見到一個三輸入的查找表(LUT)、一個復(fù)用器和一個觸發(fā)器，但重要的是我們要認識到，這些功能的數(shù)量和類型對不同系列的FPGA來說是會變化的。

觸發(fā)器可以被配置(編程)為寄存器或鎖存器；復(fù)用器可以被配置為選擇一個到邏輯塊的輸入或LUT的輸出；LUT可以被配置為代表任何所要求的邏輯功能。

更詳細地了解LUT

上面所示的簡單例子包含一個三輸入的查找表(LUT)。在實際應(yīng)用中，即使最簡單的FPGA都會使用四輸入LUT，而一些更大更復(fù)雜的器件甚至?xí)Q使用六、七或八輸入的LUT，但為了簡單起見，我們還是討論三輸入版本。

我們會在以后的文章中討論各種類型的FPGA實現(xiàn)技術(shù)?，F(xiàn)在我們只需要知道，F(xiàn)PGA內(nèi)部的可編程單元可以用反熔絲、閃存單元或SRAM內(nèi)存單元來實現(xiàn)。先讓我們看一個用反熔絲技術(shù)創(chuàng)建的FPGA吧。這是一種一次性可編程(OTP)技術(shù)，這意味著一旦你編程了這個FPGA，它將永遠保持這個狀態(tài)而不再改變。

形象化介紹這種技術(shù)的最簡單方法是用下圖所示級聯(lián)的2:1復(fù)用器(MUX)。對基于反熔絲技術(shù)的FPGA來說，編程器件相當于通過“硬件連線”將第一組復(fù)用器的輸入連接到實現(xiàn)目標邏輯功能所需的正確0或1值。下圖中所示的值反映的實際結(jié)果是，我們使用這個LUT實現(xiàn)了前面那張圖隱含的公式y(tǒng)=(a & b)|c。在實際應(yīng)用中，復(fù)用器可以用場效應(yīng)管的分支“樹”來實現(xiàn)，但我們在這里真的不用擔心最底層的實現(xiàn)細節(jié)。

圖2：輸入值經(jīng)“硬件連接的”反熔絲型LUT(左)，輸入從SRAM單元饋入的SRAM型LUT(右)。

另外一種非常常見的FPGA實現(xiàn)技術(shù)是使用SRAM配置單元。同樣，我們會在以后的文章中討論更多的細節(jié)。這里我們所要知道的僅是當電路板第一次上電時，基于SRAM的FPGA會加載配置信息(我們可以把這個過程想像為器件的編程)。作為這種配置的一部分，用作LUT復(fù)用器輸入的SRAM單元會被加載進上圖所示的目標0或1值。

我沒有顯示0和1被加載進SRAM單元的那種機制，因為我不想讓問題變得復(fù)雜。出于這次討論的目的，我們真的無需擔心這種“魔術(shù)”是如何發(fā)生的。我在這里唯一要提的事(給你考慮的空間)是—使用一種被稱為部分再配置的技術(shù)—FPGA的一部分可以發(fā)起對另一部分進行再配置(當然反過來也行)。對于具有微控制器和/或軟件背景的讀者來說，我們可以將這種技術(shù)想象為相當于自我修改代碼的硬件。這意味著這種技術(shù)是非常非常強大的，但也會帶來很難隔離和調(diào)試的問題。

通用的輸入和輸出

FPGA器件還包含有通用的輸入/輸出(GPIO)引腳和焊盤(圖1中沒有顯示)。通過配置單元，F(xiàn)PGA器件內(nèi)的互連部分可以被編程為這樣：將器件的主輸入連接到一個或多個可編程邏輯塊的輸入。任何邏輯塊的輸出也可以用來驅(qū)動任何其它邏輯塊的輸入和/或FPGA器件的主輸出。另外，GPIO引腳可以被配置為支持種類廣泛的I/O標準，包括電壓、終端阻抗、擺率等。