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淺談FPGA芯片架構(gòu)
發(fā)布日期:2023-07-29 閱讀次數(shù):

  GG484-2 的 FPGA 芯片內(nèi)部的整體架構(gòu)(基于 Xilinx Viv域劃分的話(時鐘域,顧名思義就是不同頻率不同相位的時鐘所劃分的不同區(qū)域模塊),通常根據(jù)不同的工藝、器件速度及其對應的時鐘進行劃分,如劃分為 8 個區(qū)域;按照不同的資源類型劃分的話,就是按照不同的資源部件的不同功能進行劃分,如劃分成 10 種資源;按照不同的模塊劃分的話,F(xiàn)PGA 芯片架構(gòu)可以劃分為 6 大模塊。

  為了便于管理和適應多種電氣標準,F(xiàn)PGA 的 IOB 被劃分為若干個組(Bank),每個 Bank 的接口標準由其接口電壓 VCCO 決定;一個 Bank 只能有一種 VCCO,而不同 Bank 的 VCCO 可以不同;只有相同電氣標準和物理特性的端口才能連接在一起,VCCO 電壓相同是接口標準的基本條件。

  IOB 為芯片內(nèi)部邏輯和芯片外部輸入和輸出信號提供接口,可編程為輸入、輸出和雙向 IO 三種方式。(通過 RTL 代碼中信號的定義和引腳的約束即可實現(xiàn))

  SLICEL 和 SLICEM 內(nèi)部都各自包含了 4 個 6 輸入查找表(LUT6)、3 個數(shù)據(jù)選擇器(Mux)、1 個進位鏈(Carry Chain)和 8 個寄存器(Register)。查找表和數(shù)據(jù)選擇器完成組合邏輯功能,寄存器(可配置成觸發(fā)器或鎖存器)完成時序邏輯功能。

  行業(yè)里的原因,就是太昂貴了)。6 輸入表示輸入地址位寬為 6 bits,更通俗地講就是地址線 根;對于查找表,目前主流 FPGA 都采用了基于 SRAM 工藝的查找表(LUT)(Look Up Table)結(jié)構(gòu),所以 LUT 本質(zhì)上就是一個 RAM。當用戶通過原理圖或 HDL 語言描述了一個邏輯電路以后,F(xiàn)PGA 開發(fā)軟件會自動計算邏輯電路的所有可能結(jié)果,列成一個真值表的形式,并把真值表(即輸入對應的輸出邏輯)事先寫入 RAM(寫入 RAM 的過程即為 Bitstream 配置的過程,數(shù)據(jù)的載入),這樣,每輸入一個信號進行邏輯運算就等價于輸入一個地址進行查表(軟件中稱為索引),找出地址對應的內(nèi)容,然后輸出即可(思考一下,

  寄存器:可以配置成多種工作方式,比如 FF 或 Latch、同步復位或異步復位、復位高電平有效或低電平有效等等。SLICEM 的結(jié)構(gòu)與 SLICEL 的結(jié)構(gòu)類似,最大的區(qū)別是使用了一個新的單元代替 SLICE 中的查找表,這個新的單元可以配置為 LUT、RAM、ROM 或移位寄存器(SRL16 或 SRL32),從而可以實現(xiàn) LUT 的邏輯功能,也能做存儲單元(多個單元組合起來可以提供更大的容量)和移位寄存器(提供延遲等功能)。

  BRAM 可被配置為 ROM、RAM、FIFO 等常用的存儲模塊。區(qū)別于分布式 RAM(Distributed RAM),DRAM主要由 LUT 組成的,而不占用 BRAM 的資源,分布式 RAM 也可以被配置為 ROM、RAM、FIFO 等常用的存儲模塊,但是性能不如 BRAM,畢竟 BRAM 才是專用的(在IC設(shè)計中,專用的才是性能較好的,例如ASIC就比 FPGA 性能好,GPU就比 CPU 跑得快,但是,太專一的缺點就是不夠靈活哈哈)。所以,在 BRAM 資源不夠用的情況下,才使用分布式 RAM,或者是不追求性能的情況下。

  BRAM 由一定數(shù)量固定大小的存儲塊構(gòu)成的,使用 BRAM 資源不占用額外的邏輯資源,并且速度快性能高。然而,使用的時候消耗的 BRAM 資源只能是其塊大小的整數(shù)倍,當你調(diào)用了 BRAM,就算你只存了一個比特也要占用一個 BRAM。 ??一個 BRAM 的大小為 36K Bits,可以分成兩個小的 RAMB18 各自為 18K Bits,以及一個大的 RAMBFIFO36 為 36K Bits,例如,總共有 135 個 BRAM,又可以分為 135 個 RAMB36 或 270 個 RAMB18。

  在 FIFO 例化的時候可以將 BRAM 設(shè)置為 FIFO 時,不會使用額外的 CLB 資源,并且這部分 RAM 是真雙口 RAM。

  布線資源連通著 FPGA 內(nèi)部的所有單元,而連線的長度和工藝決定著信號在連線上的驅(qū)動能力和傳輸速度。FPGA 芯片內(nèi)部有著豐富的布線資源,根據(jù)工藝、長度、寬度和分布位置的不同而劃分為 4 類不同的類別:

  想要詳細了解布局布線 Place & Route 的話,可以參考文章《數(shù)字 IC 筆試面試必考點(3)數(shù)字 IC 前端設(shè)計 + 后端實現(xiàn)》

  DLL 和 PLL 具有類似的功能,可以完成時鐘高精度、低抖動的倍頻和分頻,以及占空比調(diào)整和相移功能。Xilinx 公司生產(chǎn)的芯片上集成了 DCM 和 DLL,Altera公司生產(chǎn)的芯片上集成了 PLL。PLL 和 DLL 可以通過 IP 核生成的方式進行管理和配置。

  DCM 是 FPGA 內(nèi)部處理時鐘的重要器件,他的作用主要有三個:消除時鐘偏差(Clock De-Skew)、頻率合成(Frequency Synthesis)和相位調(diào)整(Phase Shifting);DCM 的核心器件是延時鎖相環(huán) DLL 和鎖相環(huán) PLL,它是由一串固定時延的延時器組成,每一個延時器的時延約為 30 皮秒,也就是說,DCM 所進行的倍頻、分頻、調(diào)相的精度為 30 皮秒(DLL 由數(shù)字電路實現(xiàn),PLL 由數(shù)模混合電路實現(xiàn))。

  對于時鐘,我們最好不要將兩個時鐘通過一個與門或者或門操作(等等的一些邏輯操作),這樣的話就很可能會產(chǎn)生毛刺,影響系統(tǒng)穩(wěn)定性,如果要對時鐘進行操作,例如切換時鐘等,可以使用 FPGA 內(nèi)部的專用器件 BUFGMUX(原語 Primitives)。

  現(xiàn)在越來越豐富的底層內(nèi)嵌功能單元,使得單片 FPGA 成為了系統(tǒng)級的設(shè)計工具,具備了軟硬件聯(lián)合設(shè)計的能力,逐步向 SoC 平臺過渡。

  內(nèi)嵌專用硬核是相對底層嵌入的軟核而言的,指的是 FPGA 處理能力強大的硬核(比如ARMCortex-A9 的硬核),等效于 ASIC 電路。為了提高 FPGA 性能,芯片生產(chǎn)商在芯片內(nèi)部集成了一些專用的硬核。例如,主流的 FPGA 中都集成了專用的 DSP 乘法器,用于提高 FPGA 乘法器的速度;而為了適用通信總線與接口標準,很多高端的 FPGA 內(nèi)部都集成了串并收發(fā)器(Serdes),例如 FMC,可以達到數(shù)十 Gbps 的收發(fā)速度呢。

  成本分析,以便在企業(yè)上云時有一個更清晰的成本觀念。云桌面的成本之前禹龍云有介紹過(云桌面的成本核算方法)大家可以看看。今天重點簡述

  ,可編程成幾乎任何類型的系統(tǒng)或數(shù)字電路,類似于PLD。PLD僅限于數(shù)百個門,但

  特點總結(jié)國產(chǎn)化分析華為Atlas 300寒武紀比特大陸各種硬件CPUCPU(Central Processing Unit)中央處理器,是一塊

  1.可編程輸入輸出單元(IOB)(Input Output Block)2.可配置邏輯塊(CLB)(Configurable Logic Block)3.

  如下所示,大體按照時鐘域劃分的,即根據(jù)不同的工藝、器件速度和對應的時鐘進行劃分。

  西門子plc S7-1200/S7-1500優(yōu)化的DB塊與標準的DB塊整體對比