FPGA基础架构总结

1.为什么FPGA的整体逻辑的速度有限制？

与ASIC相比较，AS指的是（application specific）专用集成应用，而FPGA是可编程逻辑，在实现的过程中，AS是直接用最基础的逻辑门实现数字电路的搭建，而FPGA是用LUT+FF搭建，它是可编程，也就是说可重构的，所以被设计成了一种岛状的逻辑块矩阵电路，每个逻辑块又有很多的子逻辑块组成，每个子逻辑块就包含有实现任意电路的元素，包括LUT（查找表）用于组合逻辑的实现，FF（触发器）用于时序逻辑的实现，逻辑块之间是布线的管道，，其中有各种固定长度的线以及连接这些线的开关。而对于ASIC而言，全部是按照数电逻辑实现的，导线也只是单纯的导线，没有开关的中断。

可以观察到这个FPGA的布线在十字路口那块有多么的复杂，研究表明，对于一个只有组合逻辑和时序逻辑，没有存储等的电路，在FPGA上实现需要40倍的ASIC面积以及3-4倍的关键路径延时，12倍的功耗。这些都是布线惹的祸，布线结构面积占了大约总面积的60%-70%。

FPGA的可编程单元可以由反熔丝、闪存单元以及SRAM内存单元实现。其中的反熔丝技术创建的是一个一次性编程的单元。

2.FPGA内部逻辑组成架构详解

先放一个基本的FPGA组成模块图：

全局的来看的话，

 

 

在FPGA中所有的逻辑功能都是由CLB来实现的，他的工作原理如下：

软件自动完成的内容包括：首先输入经过FPGA芯片IO管脚后进入可编程连线，作为地址线输入到LUT，LUT查找相应数据输出就实现了组合逻辑。clk通过GPIO输入后进入芯片内部的专用时钟通道，直接连接到触发器的时钟端，D触发器的输出接到I/O，实现结果输出到芯片管脚。

altera器件的结构组成：嵌入式阵列块（EAB）（用于存储）、逻辑阵列块（LAB）（用于逻辑实现）、快速通道互联（Fast Track），IO单元（IOE）。对于其基本的组成单位LE有：

LE作为FPGA的最小组成单元，其组成部分包括LUT，用于同步的D触发器，进位链，级联链。

cyclone的LE具体内部组成：

简化后如下图：

多个LE通过级联链以及进位链以及行列快速通道相连接，得到一个个LAB，对于Cyclone而言，是10个LE组成一个LAB，如下图

更加直观的话：

结论：LUT可以直接生成移位寄存器，怎么生成的呢？

IOB的具体组成：

EAB的组成：

EAB的字长可以控制 ，此外，EAB可以组合成更大的模块。它可以用来实现乘法器，实际上是一个输入输出上都带有寄存器的灵活的RAM电路，即可以用来做存储器，也可以实现逻辑功能。

EAB与LAB之间的关系：

但是在具体编程中如何实现指定所使用的资源是什么呢？

此外

 

扇入扇出太大或者太小的处理方法http://blog.sina.com.cn/s/blog_b381ebd10102vw6g.html

 

关于如何减少FPGA设计中逻辑资源的占用：（网上找的主要的几种解决的方法）

更改综合策略，采用资源共享；（如何更改？）如果某个某块大量使用寄存器时可以考虑是否可以采用RAM代替；从架构上分析冗余并进行优化，之后再结合个别FPGA的实现特征，如果实在对资源比较在意而对性能要求不高，就可以考虑用时间换空间，用并行替串行；良好的代码习惯和风格 暂时就那么多，以下都是我在编程时发现的问题,总结一下,怕以后忘了，以我目前的水平不明白类似关键路径,组合数目什么高深理论,这都是我从实际中学到的,比看书学的印象深刻得多.慢慢来吧,我想我以后也会明白那些高级的东西了!

一....尽量不要使用"大于""小于"这样的判断语句, 这样会明显增加使用的逻辑单元数量 .看一下报告,资源使用差别很大.

例程:always@(posedge clk)
begin
count1=count1+1;
if(count1==10000000)
feng=1; //no_ring
else if(count1==90000000)
begin
feng=0; //ring
count1=0;
end
end //这么写会用107个逻辑单元

// 如果把这句话if(count1==10000000)改成大于小于,报告中用了135个逻辑单元

二.....一定要想尽办法减少reg寄存器的长度

上次把[30:0]改到[50:0],报告里逻辑单元从100多直升到2000多!!!太吓人了,至于为什么我就不知道了哈!

三....case语句里一定要加default if一定要加else

如果是组合逻辑的设计,不加default或else的话,不能保证所有的情况都有赋值,就会在内部形成一个锁存器,不再是一个纯粹的组合逻辑了,电路性能就会下降.

例如:case({a,b})

2'b11 e=b;

2'b10 e=a;

endcase

//不加default,虽然只关心a=1时的结果,但是a=0的时候,e就会保存原来的值,直到a变为1

//那么e要保存原来的值,就要在内部生成锁存器了.

四....尽量使用Case语句 而不是if--else语句

复杂的if--else语句通常会生成优先级译码逻辑,这将会增加这些路径上的组合时延
用来产生复杂逻辑的Case语句通常会生成不会有太多时延的并行逻辑

五...组合逻辑的always块中,要注意所有的输入全部放入敏感变量表里

比如:always@(a or b)

begin

out=(a&b&c);

end