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FPGA和其他可编程器件-有什么区别?
2021年02月16日    阅读量:358    新闻来源:中国机械网 okmao.com  |  投稿

现场可编程门阵列(FPGA)是由逻辑模块阵列组成的数字IC,即使包含FPGA的产品已经交付并处于“现场”状态,也可以对其进行多次编程(连线)和重新编程。FPGA不是单片技术。FPGA的结构和编程方式,包装方式,集成度等方面都存在差异中国机械网okmao.com。而且,FPGA并不是设计人员可用的唯一可编程逻辑器件。该常见问题解答将考虑各种FPGA实施例,并将FPGA与其他可编程数字IC进行比较。随后的常见问题解答将在选择FPGA时考虑应用因素,FPGA的使用如何影响设计过程以及使用FPGA时的系统集成挑战。


FPGA由被可编程输入/输出(I / O)块包围的逻辑块阵列组成,并覆盖有可编程互连。FPGA有几个子架构,下面讨论其中的一些。在任何特定应用中,FPGA性能的优化取决于在高效架构中选择具有所需逻辑模块的正确器件以及互连路由的优化。


与其他可编程逻辑设备(如简单可编程逻辑设备和复杂可编程逻辑设备(以下均讨论))相比,FPGA具有最高的逻辑容量和性能。一个典型的FPGA可以包含数以万计的逻辑块和同等数量的触发器。可以根据几个因素来区分FPGA,例如它们组成的逻辑块的相对大小以及所使用的各种互连技术。


FPGA逻辑架构


FPGA逻辑体系结构有两种主要类别,即粗粒度和细粒度。每种体系结构都适合不同类别的应用程序。粗粒度FPGA中的大型逻辑模块通常由两个或多个查找表和两个或多个触发器组成。这些FPGA通常包括一个执行逻辑功能的四输入循环表。粗粒度的FPGA在特定功能方面的性能要比细粒度的实现方案折衷,但是粗粒度的实现方案灵活性较差。粗粒度FPGA通常针对某些类型的应用进行了优化,例如那些需要大量浮点计算的应用。


细粒度的FPGA具有大量的简单逻辑块,通常包含两个输入逻辑功能或一个4比1多路复用器和一个触发器。这些设备非常适合执行脉动逻辑,其中可编程互连可以处理处理依赖性,并且高度并行的数据流不需要顺序管理。脉动阵列(和FPGA)对于诸如人工智能,图像处理,模式识别等应用非常有用。


当今许多FPGA都在细粒度的可编程结构中结合了粗粒度的元素。粗粒度元素也称为“硬块”。它们可以包括从乘法器,高速I / O和嵌入式存储器到千兆位收发器,完整的DSP模块和嵌入式ARM处理器的功能。这些硬模块与可编程架构是分开的,可以在不占用架构资源的情况下提供ASIC级的性能和效率,而FPGA架构可用于特定功能。

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FPGA的编程和互连


除了细粒度和粗粒度逻辑体系结构之间的差异之外,用于制造FPGA的处理技术也存在差异。大多数FPGA使用静态存储器(SRAM)或反熔丝CMOS技术。基于SRAM的FPGA是系统内可编程的,而基于反熔丝的FPGA是一次性可编程的。基于SRAM的FPGA通常是密度更高的器件,而反熔丝器件通常包含更多的可编程互连密度。


系统出厂后,可在现场对SRAM FPGA进行重新编程,但需要外部配置存储源。反熔丝FPGA不需要外部配置存储器。SRAM器件使用的配置存储器包含接线程序,该程序定义了如何互连所有FPGA元件。启动时,FPGA可以加载其配置存储器,或者外部处理器可以加载它。配置时间通常在200ms以下。


电源关闭时,反熔丝FPGA会保留其程序,但只能编程一次。SRAM和反熔丝器件的编程可以由FPGA制造商,分销商或系统制造商执行。


3D封装和异构FPGA


为了继续缩小高级FPGA的尺寸和功耗,制造商采用了3维(3D)或堆叠式架构。封装多个芯片和FPGA时,通常采用两种方法。在一种情况下,将多个FPGA裸片封装在一块硅片上,该裸片提供了裸片之间的互连。多管芯构造使不同的处理技术能够制造FPGA的特定部分,以优化整体性能。由多个管芯组成的FPGA被称为异构FPGA。


3D集成和封装的发展使由多种IC技术组成的复杂的系统级封装(SiP)实现成为可能,从而有助于克服摩尔定律的局限性。通过堆叠技术的创新,克服了功率,成本和互连的局限性,这些技术使同类和异构3D IC的制造和封装成为可能。这些新的SiP技术可以满足新兴的高性能系统要求,以实现非常高的互连带宽和最低的每位功耗。


简单的可编程逻辑设备


顾名思义,简单可编程逻辑设备(SPLD)既小又简单。它们是可编程逻辑器件的最简单形式,并以众多名称而闻名,包括通用阵列逻辑(GAL),可编程逻辑阵列(PLA)和可编程阵列逻辑(PAL)。尽管SPLD非常简单,但它们具有很高的灵活性,通常用于替换逻辑组件,例如7400系列TTL器件。


SPLD由一系列多达24个宏单元组成,这些宏单元包含诸如AND与OR门和触发器的逻辑功能的组合。每个微单元可以执行一个简单的布尔逻辑方程,如果需要,可以将其存储在触发器中,直到下一个时钟周期为止。像FPGA一样,SPLD可以使用保险丝或各种类型的非易失性存储单元来定义功能。与7400系列设备相比,SPLD具有几个优点:


与单个SPLD所取代的多个7400器件相比,它所需的功率更少,布线更简单并且占用的电路板空间更少。

SPLD是灵活的(并且可以重新编程),因此更新或更改逻辑不需要更改电路板。也可以将一个SPLD替换为编程为不同设计的另一个SPLD,以更改逻辑。

SPLD可用于各种功能,例如设备到设备的接口,信号处理,解码,数据显示以及定时和控制操作。

复杂的可编程逻辑设备


尽管复杂的可编程逻辑器件(CPLD)比SPLD复杂得多,但处理能力通常比FPGA小得多,并且使用不同的体系结构构建。CPLD的结构不如FPGA灵活,一些逻辑阵列可提供相对较少的时钟寄存器。但是,CPLD具有更可预测的时序延迟,并且通常具有更密集的逻辑/互连结构。CPLD由逻辑控制,而FPGA由互连控制。


现场可编程门阵列

FPGA更灵活,但设计起来更复杂,并且FPGA往往比CPLD大。FPGA通常包含复杂的嵌入式功能,例如存储器,串行器/解串器,模拟前端等。CPLD几乎总是具有嵌入式闪存来存储其配置,而FPGA通常不是如此。FPGA需要外部非易失性存储器来存储其编程。


需要在启动时已配置逻辑的系统通常使用CPLD。CPLD和FPGA也可以在同一系统中使用。CPLD执行粘合逻辑功能并启动FPGA,可用于控制整个系统的启动和复位功能,而FPGA执行所有繁重的处理功能。


专用集成电路


FPGA还与专用IC(ASIC)和专用标准部件(ASSP)竞争。以前需要多个ASIC和/或ASSP的系统现在可以使用单个FPGA。与多芯片解决方案相比,单个FPGA可以提供更低的功耗需求,更高的速度,更少的电路板空间,甚至可以在产品出厂后进行重新配置。


在某些应用中,ASIC和ASSP可以提供优于FPGA的优势。在大批量应用中,ASIC和ASSP的成本可以低于FPGA。一些设计人员在产品开发过程中使用FPGA来利用其在设计迭代中的灵活性,将最终设计移至ASIC,因此在设计完成后无法对其进行修改,从而提高了系统安全性。


另一类产品是嵌入ASIC的FPGA。这些设备称为eFPGA,将ASIC的安全性优势与FPGA的某些灵活性相结合。eFPGA可以扩展以满足特定的应用需求。而且,eFPGA可以通过为算法和协议等功能提供可编程性来延长ASIC的寿命,这些功能可以在系统的整个生命周期中不断发展。


FPGA是可重编程的最复杂的数字IC。ASIC和ASSP可能比FPGA更复杂,但不可重新编程。SPLD和CPLD可重新编程,但与FPGA相比复杂度要低得多。由于FPGA的高性能和可编程性,它们正被越来越多的应用所使用。本系列的下一个常见问题解答将探讨选择FPGA时的应用注意事项。


标签:今日头条机械应用技术中心设备与仪器配件与装备系统及软件工业设备
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