给MCU工程师详解FPGA硬件属性

作者: Max Maxfield

我的许多朋友都是经验丰富的嵌入式设计工程师，但他们都是微控制器(MCU)背景，因此对于FPGA是什么以及FPGA能做什么只有一个模糊的概念。如果问急了，他们会说“你可以通过配置FPGA让它做不同的事情”诸如此类的话，但他们真的不是很清楚FPGA里面有什么，或者如何在设计中使用FPGA。

事实上，MCU对有些任务来说是很适合的，但对其它一些任务来说可能做的并不好。举例来说，当需要并行执行大量计算任务时，FPGA可能会让你喜出望外。在本文中我们将讨论FPGA的硬件属性。

简单的FPGA构造

在集成电路领域人们经常会听到构造(fabric)这个术语，它指的是FPGA器件的底层基础结构。(作为一个兴趣点，单词“构造”来自中世纪英语fabryke，意思是“建造的某些东西”)。下面让我们从FPGA中的内核可编程构造开始吧……

如果我们仔细观察FPGA封装的内部，我们将看到硅片(技术术语裸片)。可编程构造表现为可编程逻辑块阵列，如下图所示。如果我们用放大镜“放大查看”，我们可以看到这种构造由沉浸于可编程互连“海洋”中的许多逻辑“岛”(可编程逻辑块)组成。


图1：简单的FPGA构造。

基本FPGA可编程构造的一般性表示。

是啊，我确实是用自己的双手亲自创作的这幅图片，我因此感到非常自豪呢，非常感谢你加以关注。如果我们进一步放大，我们可以看到，每个可编程模块都包含有许多数字功能。在这个例子中，我们可以见到一个三输入的查找表(LUT)、一个复用器和一个触发器，但重要的是我们要认识到，这些功能的数量和类型对不同系列的FPGA来说是会变化的。

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。

更详细地了解LUT

上面所示的简单例子包含一个三输入的查找表(LUT)。在实际应用中，即使最简单的FPGA都会使用四输入LUT，而一些更大更复杂的器件甚至会宣称使用六、七或八输入的LUT，但为了简单起见，我们还是讨论三输入版本。

我们会在以后的文章中讨论各种类型的FPGA实现技术。现在我们只需要知道，FPGA内部的可编程单元可以用反熔丝、闪存单元或SRAM内存单元来实现。先让我们看一个用反熔丝技术创建的FPGA吧。这是一种一次性可编程(OTP)技术，这意味着一旦你编程了这个FPGA，它将永远保持这个状态而不再改变。

形象化介绍这种技术的最简单方法是用下图所示级联的2:1复用器(MUX)。对基于反熔丝技术的FPGA来说，编程器件相当于通过“硬件连线”将第一组复用器的输入连接到实现目标逻辑功能所需的正确0或1值。下图中所示的值反映的实际结果是，我们使用这个LUT实现了前面那张图隐含的公式y=(a & b)|c。在实际应用中，复用器可以用场效应管的分支“树”来实现，但我们在这里真的不用担心最底层的实现细节。


图2：输入值经“硬件连接的”反熔丝型LUT(左)，输入从SRAM单元馈入的SRAM型LUT(右)。

另外一种非常常见的FPGA实现技术是使用SRAM配置单元。同样，我们会在以后的文章中讨论更多的细节。这里我们所要知道的仅是当电路板第一次上电时，基于SRAM的FPGA会加载配置信息(我们可以把这个过程想像为器件的编程)。作为这种配置的一部分，用作LUT复用器输入的SRAM单元会被加载进上图所示的目标0或1值。

我没有显示0和1被加载进SRAM单元的那种机制，因为我不想让问题变得复杂。出于这次讨论的目的，我们真的无需担心这种“魔术”是如何发生的。我在这里唯一要提的事(给你考虑的空间)是—使用一种被称为部分再配置的技术—FPGA的一部分可以发起对另一部分进行再配置(当然反过来也行)。对于具有微控制器和/或软件背景的读者来说，我们可以将这种技术想象为相当于自我修改代码的硬件。这意味着这种技术是非常非常强大的，但也会带来很难隔离和调试的问题。

通用的输入和输出

FPGA器件还包含有通用的输入/输出(GPIO)引脚和焊盘(图1中没有显示)。通过配置单元，FPGA器件内的互连部分可以被编程为这样：将器件的主输入连接到一个或多个可编程逻辑块的输入。任何逻辑块的输出也可以用来驱动任何其它逻辑块的输入和/或FPGA器件的主输出。另外，GPIO引脚可以被配置为支持种类广泛的I/O标准，包括电压、终端阻抗、摆率等。

世界上第一块FPGA与本文中讨论的架构非常类似。这块FPGA就是赛灵思公司在1985年推出的XC2064(是用2um工艺节点制造的)，它包含有8×8=64的逻辑块阵列，每个逻辑块包含一个四输入LUT和其它一些简单功能。从那以后，FPGA发展势不可挡，正像我们看到的那样……