详细介绍FPGA ( FPGA 三个主要的可配置元件)

出处:网络整理 发布于:2023-01-11 16:58:33

    FPGA 是一种集成电路,包含许多(64 到 10,000 多个)相同的逻辑单元,可以将其视为标准组件。每个逻辑单元都可以独立地呈现有限的一组个性中的任何一个。各个单元通过导线矩阵互连和可编程开关。用户的设计是通过为每个单元指定简单的逻辑功能并有选择地关闭互连矩阵中的开关来实现的。复杂的设计是通过组合这些基本块来创建所需的电路来创建的。现场可编程意味着FPGA的功能由用户的程序定义而不是由设备制造商提供。根据特定设备,程序作为电路板组装过程的一部分被或半“烧毁”,或每次设备上电时从外部存储器加载。FPGA 具有三个主要的可配置元件:可配置逻辑块 (CLB)、输入/输出块和互连。CLB 提供构建用户逻辑的功能元素。IOB 提供封装引脚和内部信号线之间的接口。可编程互连资源提供路由路径以将 CLB 和 IOB 的输入和输出连接到适当的网络。现场可编程门阵列 (FPGA) 具有定制 CMOS VLSI 的优势,同时避免了传统掩模门阵列的初始成本、时间延迟和固有风险。通过将配置数据加载到内部存储单元来定制 FPGA。复杂可编程逻辑器件 (CPLD) 和现场可编程门阵列 (FPGA) 正在成为每个系统设计的关键部分。有许多具有不同架构/流程的不同 FPGA。目前市售的 FPGA 主要有四类:对称阵列、基于行、分层 PLD 和门海。在所有这些 FPGA 中,互连及其编程方式各不相同。目前有四种技术在使用。它们是:静态 RAM 单元、反熔丝、EPROM 晶体管和 EEPROM 晶体管。根据应用的不同,一种 FPGA 技术可能具有该应用所需的特性。对称阵列、基于行、分层 PLD 和门海。在所有这些 FPGA 中,互连及其编程方式各不相同。目前有四种技术在使用。它们是:静态 RAM 单元、反熔丝、EPROM 晶体管和 EEPROM 晶体管。根据应用的不同,一种 FPGA 技术可能具有该应用所需的特性。对称阵列、基于行、分层 PLD 和门海。在所有这些 FPGA 中,互连及其编程方式各不相同。目前有四种技术在使用。它们是:静态 RAM 单元、反熔丝、EPROM 晶体管和 EEPROM 晶体管。根据应用的不同,一种 FPGA 技术可能具有该应用所需的特性。
    静态 RAM 技术:在静态 RAM 中,FPGA 可编程连接是使用由 SRAM 单元控制的传输晶体管、传输门或多路复用器实现的。该技术允许快速在线重新配置。主要缺点是 RAM 技术所需的芯片尺寸和芯片配置需要从某些外部源(通常是外部非易失性存储芯片)加载到芯片。FPGA 可以主动从外部串行或字节并行 PROM 中读取其配置数据(主模式),或者可以将配置数据写入 FPGA(从和外设模式)。FPGA 可以被编程无限次。
    反熔丝技术:反熔丝处于高阻状态;并且可以编程为低阻抗或“熔断”状态。该技术可用于制作比 RAM 技术更便宜的编程设备。
    EPROM 技术:此方法与 EPROM 存储器中使用的方法相同。编程无需外部存储配置即可存储。基于 EPROM 的可编程芯片不能在电路中重新编程,需要使用 UV 擦除来清除。
    EEPROM 技术:此方法与在 EEPROM 存储器中使用的方法相同。编程无需外部存储配置即可存储。基于 EEPROM 的可编程芯片可以电擦除,但通常不能在线重新编程。
    通信、计算和消费电子行业中的许多新兴应用要求在系统制造后它们的功能保持灵活。为了应对不断变化的用户需求、系统功能的改进、不断变化的协议和数据编码标准、支持各种不同用户应用程序的需求等,需要这种灵活性。FPGA 具有大量此类单元,可用作复杂数字电路中的构建块。定制硬件的开发从未如此简单。与微处理器一样,基于 RAM 的 FPGA 可以在几分之一秒内在电路中无限地重新编程。设计修改,即使是现场产品,也可以快速轻松地实施。利用重新配置还可以减少硬件。尽管可重构 FPGA 技术已经商用十多年,但能够支持可重构系统设计的可用工具数量仍然非常有限。许多此类现有工具都基于传统的静态 FPGA 设计流程,需要技能和即兴发挥才能产生可,工作的可重构系统。从理论上讲,FPGA 将专用的应用优化硬件的速度与灵活改变芯片资源分配的能力相结合,因此同一系统可以运行许多应用,并针对每个应用进行优化。但 FPGA 历来难以编程,因此利用这些优势非常困难且成本高昂。能够支持可重构系统设计的可用工具数量仍然非常有限。许多此类现有工具都基于传统的静态 FPGA 设计流程,需要技能和即兴发挥才能产生可??工作的可重构系统。从理论上讲,FPGA 将专用的应用优化硬件的速度与灵活改变芯片资源分配的能力相结合,因此同一系统可以运行许多应用,并针对每个应用进行优化。但 FPGA 历来难以编程,因此利用这些优势非常困难且成本高昂。能够支持可重构系统设计的可用工具数量仍然非常有限。许多此类现有工具都基于传统的静态 FPGA 设计流程,需要技能和即兴发挥才能产生可??工作的可重构系统。从理论上讲,FPGA 将专用的应用优化硬件的速度与灵活改变芯片资源分配的能力相结合,因此同一系统可以运行许多应用,并针对每个应用进行优化。但 FPGA 历来难以编程,因此利用这些优势非常困难且成本高昂。应用程序优化的硬件具有灵活改变芯片资源分配的能力,因此同一系统可以运行许多应用程序,并针对每个应用程序进行优化。但 FPGA 历来难以编程,因此利用这些优势非常困难且成本高昂。应用程序优化的硬件具有灵活改变芯片资源分配的能力,因此同一系统可以运行许多应用程序,并针对每个应用程序进行优化。
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