FPGA全面介绍PPT

1、三傻微谈FPGA目录CONTENTMain ideaFPGA发展概述1Present by 罗海林设计思想与技巧2Present by 谭拢FPGA设计实例3Present by 张亦弛FPGA发展概述1Present by 罗海林1.1 FPGA三国演义1.2 FPGA结构概述1.3 FPGA发展趋势FPGA发展概述1.1 FPGA三国演义PART 1阿尔特拉：1983 PLD发明者赛灵思：1984 FPGA发明者莱迪思：1983 ISP发明者FPGAWahlstrom Sven Erik于1967年提出FPGA概念FPGA发展概述PART 1 CPLD的时代我国最早的供应商Lattice

2、ispLSI 1032/10161996-98把持FPGA市场1996年追赶 销售模式 第一款 FLEX 8000 FPGA 反击先组合，后时序多个时钟输入细颗粒查找表结构丰富的寄存器资源分段路由布线结构电路上电加载直接集成三态门xc3000/4000 xc3000/4000Windows平台maxplusII界面MAX7000 电路规模得到空前提高横扫千军！ 比较的是规模1.1 FPGA三国演义FPGA发展概述PART 1FPGA发展期行业领导者 占据市场确定大规模FPGA思路FLEX 10K FPGA 锁相环(PLL)抗衡FLEX 10K FPGA 嵌入式RAM抗衡实现三态门粗颗粒结构嵌入

3、式RAM非对称结构集成三态门细颗粒结构分布式RAM孤岛式结构xc3000/4000 比较的是规模和速度CPLD将击败FPGA99年收购AMD的 Vantis01年收购Lucent的ORCA元气大伤 开始蛰伏1.1 FPGA三国演义FPGA发展概述PART 1FPGA腾飞期逻 辑 规 模 存储器尺寸时 钟 资 源 串并收发器2002 Stratix 带嵌入式DSPVirtex Spartan3 Stratix Cyclone3 MAX03年全球第一款 90nm工艺 FPGA 2008 全球第一款40nm工艺2010 全球第一款28nm工艺 2013 Intel 的 14 nm 三栅极工艺出其不意

4、 避其锋芒2004年推出LatticeECP/M 价格竞争LatticeSC/MIPhone7中加入FPGA2016 被中资公司收购超20位美国会议员反对2015 被intel收购1.1 FPGA三国演义FPGA发展概述1.2 FPGA结构概述PART 1IOB：可编程输入输出单元CLB：可配置逻辑块DCM：数字时钟管理模块BRAM：嵌入式块RAM丰富的布线资源底层内嵌功能单元：DLL、PLL、DSP和CPU等软核内嵌专用硬核：SERDES等IOBCLBDCMBRAMBRAMIOBIOBIOBFPGA发展概述1.3 FPGA发展趋势PART 12016年10月11日首款嵌入式FPGA诞生FPG

5、A的发展分为三个阶段TTL逻辑集成电路可编程IO互联网的普及路由器及交换器出货量大增服务器数据中心加速人工智能、5G等需求降低能耗：内部连线方式直接连接至SoC时延FPGA有可能迎来应用于人工智能（AI）的好时机FPGA设计思想与技巧2Present by 谭拢乒乓操作、串并转换、流水线操作、数据接口的同步方法用于数据流控制FPGA设计思想与技巧乒乓操作PART 2处理流程输入数据流通过“输入数据选择单元”将数据流等时分配到两个数据缓冲区， 数据缓冲模块可以为任何存储模块，比较常用的存储单元为双口 RAM(DPRAM)、单口 RAM(SPRAM)、FIFO 等。 在第1个缓冲周期，将输入的数据

6、流缓存到“ 数据缓冲模块 1” 在第2个缓冲周期，通过“输入数据选择单元”的切换，将输入的数据流缓存到“数据缓冲模块 2”，同时将“数据缓冲模块 1” 缓存的第 1 个周期数据通过“ 输入数据选择单元”的选择， 送到“ 数据流运算处理模块” 进行运算处理； 在第 3 个缓冲周期通过“ 输入数据选择单元” 的再次切换，将输入的数据流缓存到“ 数据缓冲模块 1”，同时将“ 数据缓冲模块 2”缓存的第2个周期的数据通过“输入数据选择单元”切换，送到“数据流运算处理模块”进行运算处理。如此循环。 FPGA设计思想与技巧乒乓操作PART 2优点经过缓冲的数据流没有时间停顿，常常应用于流水线式算法节约缓冲

7、区空间低速模块处理高速数据流FPGA设计思想与技巧乒乓操作PART 2利用乒乓操作降低数据速率FPGA设计思想与技巧乒乓操作PART 2数据流处理的常用手段面积与速度互换原则实现方法：寄存器RAM排列顺序有规定的串并转换：case复杂的串并转换：FSMFPGA设计思想与技巧串并转换PART 2一种处理流程和顺序操作的思想 适用情况：高速设计提高工作频率某个设计分为若干步骤，且整个数据处理是“单流向”，没有反馈或迭代运算，前一个步骤输出是下一个步骤输入。FPGA设计思想与技巧流水线操作PART 2流水线设计时序示意图FPGA设计思想与技巧流水线操作PART 2注意问题：设计时序的合理安排、前后级

8、接口间数据流速的匹配操作步骤划分合理，统筹考虑各个操作步骤间的数据流量 前级操作时间 = 后级操作时间，直接相连 前级操作时间 后级操作时间，缓存 前级操作时间 后级操作时间，逻辑复制等操作FPGA设计思想与技巧流水线操作PART 2 FPGA设计常见的重要问题，也是设计工作不稳定的重要原因 错误的数据接口同步方法：手工加入BUFT或非门调整数据延迟相位差90度的时钟信号 正确的数据接口同步方法：输入输出的延时不可测，如何完成数据同步数据有固定格式（帧结构）上级数据和本级时钟是异步的FPGA设计思想与技巧数据接口同步方法PART 2输入输出的延时不可测，如何完成数据同步建立同步机制：可以用一个

9、同步使能，或者同步指示信号另外数据通过RAM或FIFO存取，也可以达到数据同步的目的FPGA设计思想与技巧数据接口同步方法PART 2数据有固定格式（帧结构）这种情况在通信系统中非常普遍，因为很多数据是按照“帧”组织的。由于整个系统对时钟要求很高，常常专门设计一块时钟板完成高精度时钟的产生于驱动 。两个问题：如何完成数据同步，并发现数据的“头”？ 同步指示信号，或RAM，FIFO缓存一下； 传输一个数据起始位置的指示信号，或插入同步码FPGA设计思想与技巧数据接口同步方法PART 2上级数据和本级时钟是异步的输入数据与本级处理时钟同频率输入输入与本级处理时钟异步 寄存器对异步时钟域的数据进行两

10、次采样； DPRAM，异步FIFOFPGA设计思想与技巧数据接口同步方法PART 2FPGA设计实例3Present by 张亦弛基于FPGA+DSP架构的最小系统设计FPGA设计实例PART 3 FPGA：时序控制能力强 DSP：数字信号处理及算法强能否将两者的优势互补？FPGA设计实例微型惯导系统PART 3微型惯导系统线加速度信号角加速度信号温度信号GPS信号FPGA设计实例微型惯导系统PART 3FPGA：实现逻辑控制功能，由其处理所有的外围数据并通过事先约定的方式与DSP通信， 将数据传递给DSP供其进行解算。DSP：主要实现控制系统启动,对FPGA采样得到的数据进行惯导解算，得到载体的方位、姿态和速度信息, 并将解算结果通过FPGA 向外传递显示。FPGA设计实例系统框架PART 3FPGA设计实例电源模块PART 3 主要用于系统供电，将外部接插件引入的主要用于系统供电，将外部接插件引入的12V12V隔离直流电源经隔离直流电源经DCDCDCDC转换成所需的数字电源转换成所需的数字电源FPGA设计实例传感器模块PART 3某惯导测量芯片引脚名称引脚名称功能功能SS#选择从机选择从机IRQ中断请求中断请求MOSI主机输出、从机输入主机输出、从机输入MISO主机输入、从机输出主机输