XILINX FPGA底层资源

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XILINX FPGA 芯片整体架构如下所示,整个芯片是以BANK进行划分的,不同的工艺、器件速度和对应的时钟具有不同的BANK数量(下面截图是以K7325tffg676为例):

左边的BANK都是HR BANK,右侧的最下面三个是HP BANK,最上面的四个BANK是transceiver。

XILINX FPGA底层资源_第1张图片

芯片的主要资源分为以下几个方面:

  1. Slice逻辑资源

  2. Slice Logic Distribution

  3. register寄存器

  4. Memory存储器

  5. DSP资源

  6. IO和GT

  7. Clocking时钟

  8. Primitives原语

  9. Black Boxes黑盒子

  10. Instantiated NetLists实例化网络

FPGA 内部详细架构又细分为如下六大模块:

1、可编程输入输出单元(IOB)(Input Output Block)

  为了便于管理和适应多种电器标准,FPGA 的 IOB 被划分为若干个组(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。只有相同电气标准和物理特性的端口才能连接在一起,VCCO 电压相同是接口标准的基本条件。

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2、可配置逻辑块(CLB)(Configurable Logic Block) 

  FPGA 的基本可编程逻辑单元是 CLB,而一个 CLB 是由查找表、数据选择器、进位链、寄存器组成的。查找表和多路选择器完成组合逻辑功能,寄存器(可配置成触发器或锁存器),完成时序逻辑功能。在赛灵思公司公司的 FPGA 器件中,一个 CLB 由多个(一般为 4 个或 2 个)相同的 Slice 和附加逻辑构成。

  Slice 又分为 SLICEL(Logic)和 SLICEM(Memory)。SLICEL 和 SLICEM 内部都各自包含了 4 个 6 输入查找表(LUT6)、3 个数据选择器(Mux)、1 个进位链(Carry Chain)和 8 个触发器(Flip-Flop):

  查找表:6 输入查找表类似于一个容量为 64 bits 的 ROM(26 = 64)(工艺上是珍贵的 SRAM 资源),6 表示地址输入位宽为 6 bits,存储的内容作为输入对应的输出结果的逻辑运算,并在 FPGA 配置时载入。 

  对于查找表:目前主流 FPGA 都采用了基于 SRAM 工艺的查找表(LUT)(Look Up Table)结构。LUT 本质上就是一个 RAM。当用户通过原理图或 HDL 语言描述了一个逻辑电路以后,FPGA 开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果,列成一个真值表的形式,并把真值表(即输入对应的输出逻辑)事先写入 RAM,这样,每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表,找出地址对应的内容,然后输出即可。目前FPGA中多使用4输入的LUT,所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的RAM。 

  数据选择器:数据选择器一般在 FPGA 配置后固定下来。
  进位链:超前进位加法器,方便加法器的实现,加快复杂加法的运算。
  寄存器:可以配置成多种工作方式,比如 FF 或 Latch,同步复位或异步复位、复位高有效或低有效等等。
  SLICEM 的结构与 SLICEL 的结构类似,最大的区别是使用了一个新的单元代替 SLICE 中的查找表。这个新的单元可以配置为 LUT、RAM、ROM 或移位寄存器(SRL16 或 SRL32),从而可以实现 LUT 的逻辑功能,也能做存储单元(多个单元组合起来可以提供更大的容量)和移位寄存器(提供延迟等功能)。

其中 SLICEM 中 LUT 的输入端都地址和写地址为 8 位,高两位可能是将 4 个 LUT 并联一起作为一个大的 RAM 或 ROM 时用,同时 SLICEL 和 SLICEM 的 LUT 均可设为 5 位或 6 位查找表。

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Slice作为逻辑的资源图

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Slice 作为分布式逻辑

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3、嵌入式块 RAM(BRAM)(Block RAM)

  块 RAM 可被配置为 ROM、RAM 以及 FIFO 等常用的存储模块。区别于分布式 RAM(Distributed RAM)(主要由 LUT 组成的,不占用 BRAM 的资源)。分布式 RAM 也可以被配置为 ROM、RAM 以及 FIFO 等常用的存储模块,但是性能不如 BRAM,毕竟 BRAM 才是专用的,一般是 BRAM 资源不够用的情况下才使用分布式 RAM。反之,BRAM 由一定数量固定大小的存储块构成的,使用 BRAM 资源不占用额外的逻辑资源,并且速度快,不过使用的时候消耗的 BRAM 资源只能是其块大小的整数倍,就算你只存了 1 bit 也要占用一个 BRAM。

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  一个 BRAM 的大小为 36K Bits,并且分成两个小的 BRAM 各自为 18K Bits,排列成又分为上下两块,上半部分为 RAMB18 下半部分为 RAMBFIFO36。在 FIFO 例化的时候可以将 BRAM 设置为 FIFO 时,不会使用额外的 CLB 资源,并且这部分 RAM 是真双口 RAM。

XILINX FPGA底层资源_第8张图片XILINX FPGA底层资源_第9张图片

  FPGA 所采用的逻辑单元阵列 LCA(Logic Cell Array)内部所包括的可配置逻辑模块 CLB(Configurable Logic Block)、 输出输入模块 IOB(Input Output Block)和内部互连线(Interconnect)三个部分。前面两种已经介绍完毕,接下来介绍第三种。

4、互连线资源(Interconnect)

  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。FPGA 芯片内部有着丰富的布线资源,根据工艺、长度、宽度和分布位置的不同而划分为 4 类不同的类别: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,用于完成芯片 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,用于完成基本逻辑单元之间的逻辑互连和布线;第四类是分布式的布线资源,用于专有时钟、复位等控制信号线。 

5、底层内嵌功能单元

  内嵌功能模块主要指 DLL(Delay Locked Loop)、PLL(Phase Locked Loop)、DSP(Digital System Processing)(数字信号处理)、DCM(Digital Clock Manager)(提供数字时钟管理和相位环路锁定)、和 CPU(Central Processing Unit)等等软处理核(比如 MicroBlaze 的软核)。现在越来越丰富的内嵌功能单元,使得单片 FPGA 成为了系统级的设计工具,使其具备了软硬件联合设计的能力,逐步向 SoC 平台过渡。

  关于 DCM:DCM 是 FPGA 内部处理时钟的重要器件,他的作用主要有三个:消除时钟偏斜(Clock De-Skew)、频率合成(Frequency Synthesis)和相位调整(Phase Shifting)。

  DCM 的核心器件是数字锁相环(DLL,Delay Locked Loop)。它是由一串固定时延的延时器组成,每一个延时器的时延为 30 皮秒,也就是说,DCM 所进行的倍频、分频、调相的精度为 30 皮秒。

  对于时钟,我们最好不要将两个时钟通过一个与门或者或门(逻辑操作),这样的话就很可能会产生毛刺,影响系统稳定性,如果要对时钟进行操作,例如切换时钟等,请使用 FPGA 内部的专用器件 “BUFG MUX”。 

6、内嵌专用硬核

  内嵌专用硬核是相对底层嵌入的软核而言的,指 FPGA 处理能力强大的硬核(比如 ARM Cortex-A9 的硬核),等效于 ASIC 电路。为了提高 FPGA 性能,芯片生产商在芯片内部集成了一些专用的硬核。例如为了提高 FPGA 的乘法速度,主流的 FPGA 中都集成了专用乘法器,而为了适用通信总线与接口标准,很多高端的 FPGA 内部都集成了串并收发器(Serdes),可以达到数十 Gbps 的收发速度(比如 GTX)。

7、DSP计算单元

    FPGA中的DSP主要是用于乘法/除法的累加单元,一般的除法需要单独设计,因为FPGA中的除法需要好几个DSP搭起来才能构成一个除法器,非常消耗资源。而且在K7系列中都是DSP48,最大支持乘积的位宽为43bit(乘数因子1为25bit,乘数因子2为18bit),累加单元为48bit。

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