FPGA 原理和结构 「天野英晴」 读书笔记

复习下基础知识

基础知识

逻辑电路基础

  • 布尔代数
  • 逻辑表达式
    • 乘积的和
    • 和的乘积
  • 真值表 -> LUT
  • 组合逻辑电路
    • 当前的输出取决于当前输入,不包含记忆元件
    • 异或 Exclusive-OR (第一次直到单词这么写,惭愧啊)
      • 简写XOR,EOR,EXOR(后面这俩还真是第一次见)
  • 时序逻辑电路
    • 含有记忆元件的逻辑电路
    • 同步时序逻辑电路
      • 状态变化由时钟信号控制
      • 有限状态机模型
        • Mealy 输出=输入+状态 (输入直接影响输出)
          • 通常状态少,电路规模小
          • 输入立刻反映到输出,导致逻辑元件不等长布线,容易冒险
        • Moore 输出=状态 (输入影响状态)
          • 状态数量多,电路规模大
          • 不易冒险
        • todo:书上的图挺好,后续贴过来
    • 异步时序逻辑电路(FPGA一般不使用)
      • 这本书没讲,后面有机会补上

同步电路设计

  • 触发器(Flip Flop,FF)
    • FPGA 一般采用DFF
    • CMOS工艺电路
      • todo:抄图
    • 建立时间(setup time),保持时间(hold time)
    • 亚稳态(metastable)
    • 时序分析
      • 评估是否满足时序约束(需求)
      • 动态时序分析
        • 过于耗时,很少采用
        • todo:需要了解下
      • 静态时序分析(static time analysis, STA)
        • 只需要电路网表,遍历一次电路拓补,分析速度快
      • 资源充足时,编译容易,时间短
  • 单向时钟同步电路
    • 时钟偏移(skew):时钟信号到达时间错位
    • 时钟抖动(jitter)
    • FPGA通过驱动能力强的专用总线(global buffer)将多层时钟树的时钟低偏移连接在所有FF上。

FPGA 定位和历史

  • 逻辑器件分类
    • 标准器件
      • 标准逻辑
        • 怀疑书中指与或非门等标准器件
      • 固定用途定制芯片(Application Specific Standard Parts,ASSP)
      • 可编程逻辑器件(Programmable Logic Device,PLD)
        • FPGA是一种设计自由度高的PLD。
        • 半导体厂商可以量产,用户无需开模即可定制电路
    • 定制芯片
      • 全定制芯片
        • 优势:性能(速度),集成度(门数),设计自由度
        • 劣势:NRE,TAT高(费用和时间)
      • 半定制芯片(缩短NRE和TAT)
        • 门阵列(gate array)
        • 嵌入式阵列(embedded array)
        • 标准单元ASIC
        • 结构化ASIC
  • FPGA历史
    • 1970s
      • FPLA – NXP
        • AND-OR阵列
      • PAL – Lattice
        • 改进版FPLA
        • 耗电量大无法普及
    • 1980s
      • GAL – Lattice
        • 固定OR阵列结构
        • CMOS EEPROM进行编程
      • FPGA – Xilinx
        • LUT+FF
        • CMOS SRAM
        • 可重配置
      • CPLD – Altera,AMD,Lattice
      • 反熔丝FPGA – Actel,QLuickogic(这俩公司没听过…)
    • 1990s
      • 日本厂商尝试加入,没有成功
      • FPGA(SRAM)- Altera,AT&T,AMD,Atmel
      • FPGA(FLASH)-GateField
      • FPGA(BCiMOS)-DynaChip
    • 2000s
      • FPGA,SoPD – Altera,Xilinx
    • 2010s
      • 高端 FPGA – AMD(Xilinx),Intel(Altera)
        • 动态可重配置
        • 车载FPGA
        • 光FPGA
        • SoPD (Zynq,DE1SOC等带有处理器的FPGA)
      • 中低端:Lattice,GOWIN

FPGA 概要

todo:9/4

FPGA结构

todo:9/4

设计流程和工具

todo:9/5

设计原理

todo:9/6

硬件算法

todo:9/7

PLD、FPGA应用案例

todo:9/8

新器件,新架构

todo:9/9

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