FPGA 底层资源介绍

Xilinx FPGA底层资源介绍

本文转载自：瓜大三哥微信公众号

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。
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K7325tffg676-Device视图

芯片的主要资源分为以下几个方面：
Slice逻辑资源
Slice Logic Distribution
register寄存器
Memory存储器
DSP资源
IO和GT
Clocking时钟
Primitives原语
Black Boxes黑盒子
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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IOB

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。
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CLB

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。

Device中Slice位置

Slice作为逻辑的资源图

Slice-L资源利用率

Slice 作为分布式逻辑

Slice-M资源利用率

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。

Device中Block RAM位置
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Block ram资源利用率

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。
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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 30ps，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”。
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Device中PLL位置
加粗样式

Device中MMCM位置

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，PCIE）。

6.1 GTX高速收发器

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Device中GTX位置

6.2 PCIE核

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Device中PCIE位置

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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