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長期以來,電子行業(yè)一直將仿真和原型制作作為其重要領(lǐng)域。電子公司使用其標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議設(shè)計(jì)專用于其產(chǎn)品的硬件,這使得最終用戶根據(jù)其需求重新配置硬件具有挑戰(zhàn)性。對(duì)硬件的這種要求導(dǎo)致了新的稱為FPGA(Field Programmable Gate Array)的客戶可配置現(xiàn)場(chǎng)可編程集成電路領(lǐng)域的增長。
在本文中,英銳恩單片機(jī)開發(fā)工程師將介紹FPGA架構(gòu)和應(yīng)用。
一、什么是FPGA?
FPGA是Field Programmable Gate Array的簡(jiǎn)稱,中文稱為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列,這是一種廣泛用于電子電路中的設(shè)備。FPGA是包含可編程邏輯塊和互連電路的半導(dǎo)體器件,制造后可以對(duì)其進(jìn)行編程或重新編程為所需的功能。
二、FPGA基礎(chǔ)
制造電路板時(shí)以及電路板中是否包含F(xiàn)PGA時(shí)。這是在制造過程中編程的,以后可以再編程以創(chuàng)建更新或進(jìn)行必要的更改。
FPGA的這一功能使其在ASIC中獨(dú)樹一幟。專用集成電路(ASIC)是為特定設(shè)計(jì)任務(wù)定制制造的。過去,F(xiàn)PGA用于開發(fā)低速,復(fù)雜和批量設(shè)計(jì),但如今,F(xiàn)PGA輕松將性能障礙推至500MHz。
在單片機(jī)中,該芯片是為客戶設(shè)計(jì)的,他們必須編寫軟件并將其編譯為十六進(jìn)制文件才能加載到單片機(jī)中。該軟件存儲(chǔ)在閃存中,可以輕松更換。
在FPGA中,沒有處理器可以運(yùn)行該軟件,因此我們是設(shè)計(jì)電路的人。我們可以將FPGA配置為與門一樣簡(jiǎn)單,也可以配置為多核處理器。
為了創(chuàng)建設(shè)計(jì),我們編寫了兩種類型的硬件描述語言(HDL)– Verilog和VHDL。然后,使用BITGEN將HDL合成為位文件以配置FPGA。FPGA將配置存儲(chǔ)在RAM中,即在沒有電源連接時(shí)配置會(huì)丟失。因此,必須在每次供電時(shí)對(duì)其進(jìn)行配置。
三、FPGA架構(gòu)
FPGA是預(yù)制的硅芯片,可以對(duì)其進(jìn)行電氣編程以實(shí)現(xiàn)數(shù)字設(shè)計(jì)。第一個(gè)基于靜態(tài)存儲(chǔ)器的FPGA被稱為SRAM,用于使用配置位流配置邏輯和互連。今天的現(xiàn)代EPGA包含大約330000個(gè)邏輯塊和大約1100個(gè)輸入和輸出。
FPGA架構(gòu)由三個(gè)主要組件組成:
(1)可編程邏輯塊,實(shí)現(xiàn)邏輯功能;
(2)可編程路由(互連),實(shí)現(xiàn)功能;
(3)I/O模塊,用于進(jìn)行片外連接。
四、可編程邏輯塊
可編程邏輯塊提供了數(shù)字系統(tǒng)中使用的基本計(jì)算和存儲(chǔ)元素。基本邏輯元件由可編程組合邏輯,觸發(fā)器和一些快速進(jìn)位邏輯組成,以減小面積并降低延遲成本。
現(xiàn)代FPGA包含不同塊的異構(gòu)混合物,例如專用存儲(chǔ)塊,多路復(fù)用器。在整個(gè)邏輯塊中使用配置存儲(chǔ)器來控制每個(gè)元素的特定功能。
五、可編程路由
可編程路由在邏輯塊和輸入/輸出塊之間建立連接,以完成用戶定義的設(shè)計(jì)單元。它由多路復(fù)用器通過晶體管和三態(tài)緩沖器組成。在邏輯集群中使用傳輸晶體管和多路復(fù)用器連接邏輯元件。
六、可編程I/O
可編程的I/O焊盤用于將邏輯塊和路由體系結(jié)構(gòu)連接到外部組件。I/O焊盤和周圍的邏輯電路形成為I/O單元。這些單元占用了FPGA面積的很大一部分。I/O可編程塊的設(shè)計(jì)很復(fù)雜,因?yàn)殡娫措妷汉蛥⒖茧妷褐g存在很大差異。標(biāo)準(zhǔn)的選擇在I/O架構(gòu)設(shè)計(jì)中很重要。支持大量標(biāo)準(zhǔn)可以增加I/O單元所需的硅芯片面積。
七、FPGA架構(gòu)及其應(yīng)用
隨著技術(shù)的進(jìn)步,基本的FPGA體系結(jié)構(gòu)通過添加更多的專用可編程功能塊而得以發(fā)展。由于對(duì)應(yīng)用程序的此類資源的需求頻率很高,因此特殊功能塊(如ALU,塊RAM,多路復(fù)用器,DSP-48和微處理器)已添加到FPGA。
八、FPGA的應(yīng)用
1.在過去的幾十年中,F(xiàn)PGA已迅速被接受。以下是FPGA在各種技術(shù)中的一些應(yīng)用。
2.用戶可以將它們應(yīng)用于廣泛的應(yīng)用程序,例如隨機(jī)邏輯、SPLD、設(shè)備控制器、通信編碼和過濾。
3.通過使用許多互連的FPGA對(duì)整個(gè)大型硬件系統(tǒng)進(jìn)行仿真。
4.它們?yōu)闈M足機(jī)器視覺,工業(yè)網(wǎng)絡(luò),電機(jī)控制和視頻監(jiān)控提供了強(qiáng)大的解決方案。
5.FPGA用于定制計(jì)算機(jī)中。
6.FPGA提供了高度并行的自定義計(jì)算和低成本計(jì)算的獨(dú)特組合。
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