FPGA学习笔记（FPGA基础知识）

1.FPGA的最基本单元

1、查找表（LUT） （组合逻辑单元）
LUT指显示查找表（Look-Up-Table)，本质上就是一个RAM。它把数据事先写入RAM后，每当输入一个信号就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出。
2、D 触发器 （时序单元）
3、基于 SRAM 工艺，内部结构为查找表

2.FPGA的物理结构

目前主流 FPGA 主要 基于 SRAM 工艺查找表技术。 FPGA 芯片主要由以下模
块构成。
可编程输入输出单元（IOB）简称 IO 单元，为芯片与外接电路的接口部分，
完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动与匹配要求。

2.1 、IOB

A、FPGA 的 IOB 被划分成若干个组（bank） ，每个 bank 的接口标准由其接
口电压 VCCO 决定，一个 bank 只能有一种 VCCO，但不同 bank 的 VCCO 可以
不同。
B、HR IO 电压范围 1.0~3.3V，HP IO 电压范围 1.0~1.8V。
C、所有的输入和输出都支持 DDR 双数据率。
D、任何一个输出和输入都可单独配置到最大为 1250 个 ps 的延时，其分辨
率为 5-15 个 ps，实现这个延时的原语是 IDELAY 和 ODELAY 单元。在配置时
设置延迟步长的数目， 也可在使用时递增或者递减。 另外将 IDELAY 和 ODELAY
级联在一起，可以使得单一方向达到两倍的延时。
E、ISEDES/OSEDES

2.2 、可配置逻辑块（CLB ）

CLB 是 FPGA 基本逻辑单元，CLB 由多个（一般 4 个或 2 个）相同的 Slice
和附加逻辑构成。 每个 CLB 模块不仅实现组合逻辑、 时序逻辑 、 还可以 配制成
分布式 RAM （sliceM ）和分布式 ROM。Slice 是基本逻辑单位，实现加、乘等
算术逻辑以及进位逻辑等。
1 个 CLB 包括 2 个 Slice（SliceL 和 SliceM） ，每个 slice 都含有4 个 6 输入查找表 （LUT） 、 3 个多路复用器、 8bit 进位链、 8 个 DFF。 其中 SliceM较 SliceL 增加了基于查找表的分布式 RAM 和移位寄存器。 每个 CLB 中都包含 SLiceL，但并不是每个 CLB 中都包含 SliceM，整个一块V5 芯片中的 SliceM 和 SliceL 的比例为 1:3，且 SliceM 的放置有一定的规则。

2.3 、数字时钟管理模块（DCM ）

FPGA 提供数字时钟管理和相位环路锁定，相位环路锁定能提供精确的时钟
综合，且能降低抖动，并实现过滤功能。
每个 IO 组包含一个时钟管理单元 （Clock Management Tile， CMT） ， 每个 CMT
包含：
A、 混合模式时钟管理器 （Mixed-mode Clock Manager， MMCM） ， 分频：
在送往相位比较器之前，对 VCO 的输出频率进行分频。
B、 两个相位锁相环（phase Lock Loop） ，主要直连时钟 IO，并生成倍频
或分频时钟。
C、 PLL 比 MMCM 的特性要少得多， MMCM 主要用于宽范围频率的合
成、内部或者外部时钟的抖动过滤器。

2.4 、嵌入式块 RAM （BRAM ）

块 RAM 可被配置成单端口 RAM、双端口 RAM、内容地址存储器（CAM）
以及 FIFO 等常用存储结构。CAM 存储器在其内部的每个存储单元中都有一个
比较逻辑，写入 CAM 中的数据会和内部的每个数据进行比较，并返回与端口数
据相同的所有数据的地址，因为在路由的地址交换器中有广泛的应用。

2.5 、丰富的布线资源

布线资源连通 FPGA 内部的所有的单元，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。第一类是全局布线资源，用于芯片内部全局时钟
和全局复位/置位的布线；第二类是长线资源，用以完成芯片 bank 间的高速信号
和第二全局时钟信号的布线；第三类是短线资源，完成基本逻辑单元之间的逻辑
互联和连线；第四类是分布式的布线资源，用于专有时钟、复位等控制逻辑线。

2.6 、底层内嵌功能单元

主要指 DLL（Delay Locked Loop） 、PLL、dsp 和 cpu 等处理软核。DLL 和
PLL 功能类似，可完成时钟高精度、低抖动的倍频和分频，以及占空比调整和移
相等功能。
内嵌专用硬核如为了提高 FPGA 的乘法速度的的专用乘法器、串并收发器
（SERDES） 。

3.FPGA 最小系统

一般来说 FPGA 的最小系统主要包括：FPGA 芯片、jtag 下载电路、外部时
钟、复位电路（program B？） 、flash 和电源。其中由于 FPGA 采用的是 SRAM
工艺，因此断电后程序会消失，因此 flash 存储配置信息。

4 、块 RAM 和分布式 RAM

分布式 RAM 用 LUT 实现，用于实现少量数据的存储和缓存，存取速度高于
块状 RAM。 块状 RAM 是内嵌于 FPGA 的， 容量较大， 18k 为一块， 有若干块，
可实现双口 RAM，常用于大量数据存取，也用于不同数据宽度的转换，也可以
配置成 fifo 使用。
用分布式 RAM 时其实要用到其所在的 SliceM， 所以要占用其中的逻辑资源；
而 Block RAM 是单纯的存储资源，但是要一块一块的用，不像分布式 RAM 想
要多少 bit 都可以。 用户申请存储资源， FPGA 先提供 Block RAM， 当 Block RAM
数量不够时再用分布式 RAM 补充。
B-RAM （Blcok RAM） 是使用FPGA中的整块双ram资源， D-RAM （Distributed
RAM）则是拼凑起 FPGA 中的查找表形成。一般当您要用的 RAM 是小的，时序要求不高的场合要用 D-RAM，节省资源。
并不适用 B-RAM 就一定性能好， FPGA 中的资源位置是固定的， 例如 BRAM
就是一列一列分布的，这就可能造成用户逻辑和 B-RAM 之间的 route 延时比较
长。举个简单例子，在大规模 FPGA 中，如果用光所有的 B-RAM 性能一般会下
降，甚至出现 route 不通的情况，就是这个原因。灵活的运用 B-RAM 和 D-RAM
可以有效利用 FPGA 资源，提升性能，如果需要用较多的 B-RAM ，合理规划布
局也可以提高性能们可以使用 Planahead 进行布局规划。
D-RAM 可以使纯组合逻辑，即给出地址马上出数据，也可以加上 register 变
成有时钟的 RAM，而 B-RAM 一定是有时钟的。

5、FPGA 、DSP 、ARM 、单片机等区别

1、FPGA 有强大的数据处理能力，能并行处理多路高速数据流，但成本高；
2、DSP 主频高、速度快、功耗大、控制能力差，主要用于图像处理、加密
解密等复杂计算高端系统中，用途专一；
3、ARM 优势不在于主频，而在于片上外设较丰富，适合各种嵌入式系统，
用来跑界面和应用程序，体现在控制；
4、单片机价格低廉，便于开发、擅长中断处理。

6.FPGA 与 CPLD

6.1整个可编程逻辑器件的发展 是：

1、PAL（Programmable Array Logic 可编程阵列逻辑） ：采用熔断丝技术，只可一
次编程；
2、GAL（Generic Array Logic 通用逻辑阵列） ：电可擦除功能，可重复性编程，
又称 PLD；
3、CPLD（Complex Programmable Logic Device 复杂可编程逻辑器件） ：将大量
PLD 集成在一起，产品工艺一般是基于 E2ROM 和 FLASH 工艺，内部结构
为基于乘积项（Product term） ；
4、FPGA（Field-Programmable Gate Array 现场可编程门阵列） ：以硬件描述语言
（verilog）所完成的电路设计，经过简单的电路综合和布局，快速的烧录到
FPGA 进行测试，是现代 IC 设计验证的技术主流。产品基于 SRAM 工艺，
内部结构基于查找表（Look up Table） 。

6.2 、FPGA 与 CPLD 的区别

FPGA 优势：
1、与 CPU、DSP 相比，FPGA 的数据处理能力更强，可以同时并行处理多
个大流量的数据。
2、与 ASIC（即具有专用功能的芯片，如 LDO、存储器等）相比，可用户定
制，但成本高。
FPGA 缺点：
1、成本高。
2、没有 cpu 顺序处理算法的实现方便。