FPGA底层架构——FPGA六大组成部分

FPGA底层架构——FPGA六大组成部分

FPGA底层资源

• 可编程输入输出单元（IOB）
• 可编程逻辑单元（CLB）
• 时钟管理单元（DCM）
• 嵌入块状RAM（BRAM）
• 布线资源
• 内嵌的专用硬件模块（硬IP，硬核）
• 内嵌的底层功能单元（软IP，软核）
• 补充（DSP48、PLL资源、乘法器资源等，）
  最重要的部分 <big><font color="red">可编程输入输出单元、可编程逻辑单元、布线资源 </font></big>

1.IO、IOB（可编程输入输出单元，Input/Output Block）

  FPGA的IOB是输入/输出块(Input/Output Block)的简称，它是FPGA内部实现复杂逻辑的关键部分，负责处理输入输出信号。IOB内部包含了一系列的逻辑单元，用以完成信号的缓冲、驱动、映射等功能。

在Xilinx的FPGA中，IOB内部结构可以简化为以下几个主要部分：

1. 输入缓冲器（Input Buffers）：用于提高信号的鲁棒性和减少信号的噪声干扰。
2. 输出驱动器（Output Drivers）：负责将FPGA内部逻辑单元的信号驱动到IOB外部。
3. 串并转换（Serial-to-Parallel and Parallel-to-Serial Converters）：用于实现信号的串并转换，以适应不同位宽的信号传输。
4. 控制逻辑（Control Logic）：负责处理IOB的各种配置和功能控制信号。

FPGA IO命名与Bank划分
FPGA I/O之差分信号

2.CLB（可编程逻辑单元，Configurable Logic Block）

在FPGA中，CLB是实现逻辑功能的基本单元，一个CLB由2个slice组成，slice可以分成以下的两类：SliceM（Memory）和SliceL（Logic）。这两种slice的区别在于它们的LUT不同。

• SLICEM（M：Memory）：其内部的LUT可以读也可以写，可以实现移位寄存器和64bit的DRAM等存储功能，还可以实现基本的查找表逻辑。
• SLICEL（L：Logic）： 其内部的LUT只可以读，只能实现基本的查找表逻辑。

SliceL和SliceM内部都包含

1. 4个6输入查找表（LUT6）

   • FPGA原理与结构（2）——查找表LUT（Look_Up_Table）
   • FPGA原理与结构（5）——移位寄存器（Shift Registers）
   • FPGA原理与结构（6）——分布式RAM（Distributed RAM,DRAM）
   • RAM分类及实现

2. 3个数据选择器（MUX）

   • FPGA原理与结构（4）——数据选择器MUX（Multiplexers）

3. 1个进位链（Carry Chain）

   进位链CARRY在FPGA中本质上就是解决加减法进位问题的元器件

   • FPGA原理与结构（7）——进位链CARRY

4. 8个触发器（Flip-Flop）

   • FPGA原理与结构（3）——存储单元（Storage Elements）

CLB的sliceM中LUT形成的RAM可以同步写异步读，而BRAM形成的RAM只能同步写同步读。**

补充：

1. 单端口RAM：只有一个读写口，就是只有一组数据线和地址线，就是读和写都是通过这个口来访问 RAM，但是同一个时刻只能访问一个，要么是读，要么是写。
2. 伪双端口 RAM ：指的是有两个读写端口，但是一个端口只能读，一个端口只能写，伪双端口 RAM 一般叫 TP RAM。一般 FIFO 内部例化的都是伪双端口 RAM。
3. 真双端口RAM：真双端口 RAM 指的是有两个读写端口，每个端口都可以独立发起读或者写。

3.时钟管理单元

• 区域(Region):每个FPGA器件被分为多个区域，不同的型号的器件区域数量不同。时钟资源

• FPGA时钟资源主要有三大类:时钟管理单元、时钟IO、时钟布线资源。

  1. 时钟管理模块:不同厂家及型号的FPGA中的时钟管理资源会有一些差异，主要功能是对时钟的频率、占空比、相位等功能的管理。例如:PLL，DLL，DCM，MMCM（混合模式时钟管理器）等。

  2. Clock 10:时钟IO，FPGA的时钟I0分布在不同的区域。像xiinx的时钟IO分为MRCC(全局时钟pin)和SRCC(局部时钟pin)。

  3. Clock Routing Source:时钟布线资源含有时钟线以及时钟缓冲器，数量上会比前两者多;含全局时钟网络(GCLK)和局部时钟网络(RCLK)的时钟线及缓冲(BUFG，BUFR等)。

     PLL

     MMCM

DCM（数字时钟管理器，Digital Clock Manager）

通过 FPGA 芯片提供的DCM 功能， 可灵活地控制时钟频率、相位转换和时钟脉冲相位差。

• FPGA时钟资源1
• FPGA时钟资源2

zynq

器件延时$T_{CO}$大概0.2ns

建立时间大概0.01ns

保持时间大概0.12ns

3.1 时序约束

• 为什么要时序约束？——综合工具是以时序约束为驱动的进行布局布线的策略，即时序约束是综合工具进行综合的参考点

• 同步系统的要求

  1. 寄存器(触发器)的建立时间满足要求
     • 那么什么时候建立时间不满足呢——建立时间裕量不够，$T_{l}ogic$大，即组合逻辑处理时间过长
  2. 寄存器(触发器)的保持时间满足要求
     • 跨时钟域设计
     • 数据源端由寄存器产生，并且数据到下一个寄存器几乎是直接相连（出现的概率较低）
  3. 数据的发起沿和数据的捕获沿相差一个CLK

• 时序约束1——数据传输模型
  通过vivado官方例程IP学习时序约束

4.块状RAM（BRAM，block ram）

• FPGA BRAM

Xilinx 7系列FPGA的bram最小大小为36Kb,可配置为两个18Kb，也可级联成更大的RAM，另外每个bram内封有寄存器，可作为输出缓冲，好处便是不需要利用CLB的触发器（这样会加大延时

5.布线资源

FPGA中的布局布线资源主要包括三部分：CB、SB和行列连线。布线资源的目的是为了能够让位于不同位置的逻辑资源块、时钟处理单元、BLOCK RAM、DSP和接口模块等资源能够相互通信，从而协调合作，完成所需功能。FPGA中的布线资源，就好比绘制PCB板时的连线资源一样，虽然器件A和器件B的位置和连接关系没有任何改变，但很可能因为周边电路的布局、布线的一些变化，使得前后两次A、B之间的连线形态发生很大的变化。因此，与采用固定长度的金属线将所有宏单元连接在一起的CPLD不同，FPGA中任意两点之间的线延迟是无法预测的，必须等到布局、布线完成之后才能确定。这也是为什么在FPGA的开发中，时序约束和时序分析这两样工作是必不可少的。

布线资源连通FPGA内部的所有单元，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。主要分为四类：全局布线资源、长线资源、短线资源、分布式布线资源。

6.DSP核

Xilinx FPGA中可用的最复杂的计算块是下图所示的DSP48块

DSP48块是嵌入FPGA结构中的算术逻辑单元(ALU)，由三个不同的块组成的链。DSP48中的计算链包含一个加/减单元，连接到一个乘法器，再连接到最后的加/减/累加引擎。这条链允许单个DSP48单元实现如下形式的函数：P=Bx(A+D)+C or P+=Bx(A+D)