FPGA并行计算可编程芯片

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玩转Zynq可以使用Vivado创建一个FPGA工程。

什么是FPGA

FPGAField Programmable Gate Array是在PAL 可编程阵列逻辑、GAL通用阵列逻辑等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路ASIC领域中的一种半定制电路而出现的既解决了定制电路的不足又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

前言

自FPGA诞生以来FPGA现场可编程门阵列就引起了人们的关注。在1980年代中期Ross Freeman和他的同事从Zilog购买了该技术并创建了Xilinx目标是ASIC仿真和教育市场。同时Altera以类似技术为核心成立。

直至今日AMD 350亿美元约2230亿人民币收购赛灵思(Xilinx)则马上就要大功告成。原计划2021年底获得所有批准但目前尚未完成预计2022年第一季度完成交易。而早在2015年因特尔便宣布以167亿美元收购Altera。

Xilinx与Altera这两家公司共占有近90%的市场份额专利达到6000余项之多如此之多的技术专利构成的技术壁垒高不可攀。而Xilinx始终保持着全球FPGA的霸主地位难以撼动

一、FPGA是什么

FPGA到底是什么简单来说就是一块可由工程师反复编程的逻辑器件本体是一种数字集成电路一个可以通过编程来改变内部结构的芯片。

FPGA本质也是一种芯片。

相信电子专业的同学都知道ASIC也就是专用集成电路ASIC一旦被设计好其固定结构已经成型后期将无法更改。而FPGA正是可以通过编程来改变内部结构可以对后期的升级带来极大的便利。同样具备编程特点的器件如ARM、DSP等这两者都是串行执行的大家熟悉的有51单片机stm32单片机都是串行执行。而FPGA最本质的特点就是为硬件而设计我们对其编程改变的是其内部结构。并且FPGA是并行执行FPGA的最大优势就在于其并行计算的特性。

二、FPGA基本结构

FPGA芯片主要由6部分完成分别为可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入块式RAM、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。

1、可编程逻辑块

可编程构造表现为可编程逻辑块阵列每个可编程模块都包含有许多数字功能如查找表LUT、复用器、触发器。触发器可以被配置编程为寄存器或锁存器;复用器可以被配置为选择一个到逻辑块的输入或LUT的输出;LUT可以被配置为代表任何所要求的逻辑功能。

2、可编程输入/输出单元IOE

Altera器件IOE结构

Altera器件的输入输出结构可配置成三态、输入／输出、双向IO

Altera器件中cyclone系列中的IOE结构是基本的输入、输出、使能的触发器结构。

3、嵌入式块RAMBRAM

大多数FPGA都具有内嵌的块RAM这大大拓展了FPGA的应用范围和灵活性。块RAM可被配置为单端口RAM、双端口RAM、内容地址存储器CAM以及FIFO等常用存储结构。

FPGA 芯片内有两种存储器资源一种叫 block ram, 另一种是由 LUT 配置成的内部存储器也就是分布式 ram 。 Block ram 由一定数量固定大小的存储块构成的使用 BLOCK RAM 资源不占用额外的逻辑资源并且速度快。但是使用的时候消耗的 BLOCK RAM 资源是其块大小的整数倍。

4、底层内嵌功能单元

内嵌功能模块主要是指DLLDelay Locked Loop、PLLPhase Locked Loop、DSP和CPU等软处理核

除此之外FPGA内部还集成了一些其它资源(1)FPGA片上存储器、(2)乘法累积模块(3)片外存储器控制器(4)高速串行收发器。