一、什么是FPGA，內(nèi)部資源構(gòu)成？

? ? ? ?答：FPGA（Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）是一種可以通過編程來配置的半導(dǎo)體設(shè)備。FPGA由成千上萬(wàn)個(gè)可配置邏輯塊（CLB）和可編程的互聯(lián)資源組成，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)字計(jì)算功能。與其他類型的集成電路相比，如專用集成電路（ASIC）或標(biāo)準(zhǔn)邏輯IC，F(xiàn)PGA的獨(dú)特之處在于其可編程性，允許設(shè)計(jì)者在不需要改變硬件本身的情況下，通過改變內(nèi)部配置來改變其功能。（靈活、并行處理、功耗高、成本高）

FPGA的內(nèi)部資源可以分為幾個(gè)主要部分：

1. 可配置邏輯塊（CLBs）或邏輯元件（LEs）
? ? ? ?定義：CLBs是FPGA的基本構(gòu)建塊，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)邏輯功能。每個(gè)CLB可以包含若干個(gè)邏輯元件（LEs），這些邏輯元件包含查找表（LUTs）、觸發(fā)器（如D觸發(fā)器），以及邏輯運(yùn)算單元等。
? ? ? ?功能：通過編程配置，CLBs可以實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單的邏輯門（如AND、OR、NOT）到更復(fù)雜的組合邏輯和時(shí)序邏輯電路。

2. 查找表（LUTs）
? ? ? 定義：LUT是FPGA中實(shí)現(xiàn)邏輯功能的關(guān)鍵組件，它是一種可編程的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)邏輯函數(shù)的真值表。
? ? ? 功能：通過配置LUT，可以實(shí)現(xiàn)任何邏輯函數(shù)，這使得FPGA能夠執(zhí)行復(fù)雜的邏輯運(yùn)算。

3. 可編程互聯(lián)資源
? ? ? ?定義：FPGA中的可編程互聯(lián)資源包括一系列的編程開關(guān)和連接矩陣，用于連接CLBs、I/O塊、和其他資源。
? ? ? ?功能：這些資源確保了FPGA內(nèi)部的不同部分可以靈活地連接在一起，以構(gòu)建復(fù)雜的數(shù)字電路。

4. 輸入/輸出塊（IOBs）
? ? ? ?定義：IOBs是FPGA與外部世界連接的接口，位于FPGA芯片的邊緣。
? ? ? ?功能：IOBs提供了多種標(biāo)準(zhǔn)和專用的接口，如LVDS、PCIe、Ethernet等，以支持與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。

5. 嵌入式多用途塊
? ? ? ?存儲(chǔ)器塊（如BRAM - Block RAM）：提供大量的內(nèi)部存儲(chǔ)，可用于實(shí)現(xiàn)FIFOs、緩存、或其他臨時(shí)存儲(chǔ)需求。
? ? ? ?數(shù)字信號(hào)處理塊DSP slices）：專為執(zhí)行加法、乘法、累加等高性能數(shù)字信號(hào)處理操作而設(shè)計(jì)。
? ? ? ?時(shí)鐘管理模塊（如PLLs和MMCMs）：提供時(shí)鐘生成、分頻、倍頻、時(shí)鐘選擇等功能，對(duì)于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的時(shí)鐘體系至關(guān)重要。

6. 高速串行接口
? ? ? ?定義：某些FPGA提供高速串行接口，如SerDes（串行化/反串行化器），用于支持高速數(shù)據(jù)傳輸。
? ? ? ?功能：這些接口常用于實(shí)現(xiàn)高速通信協(xié)議，如Gigabit Ethernet、PCI Express、Fiber Channel等。

二、同步/異步電路

1.同步時(shí)鐘問題

????????同步時(shí)鐘指的是設(shè)計(jì)中使用的時(shí)鐘信號(hào)遵循一定的規(guī)則和策略，以確保信號(hào)在不同的時(shí)鐘域之間正確地傳輸和處理，避免時(shí)鐘偏差和時(shí)序問題。

重要性：

????????1. **穩(wěn)定性**：同步時(shí)鐘可以確保在整個(gè)設(shè)計(jì)中，所有的邏輯塊和處理單元都能在正確的時(shí)間接收到時(shí)鐘信號(hào)，這對(duì)于維護(hù)信號(hào)的完整性和防止數(shù)據(jù)損壞至關(guān)重要。
????????2. **性能**：通過優(yōu)化時(shí)鐘分配和管理，可以最大化FPGA的性能，提高數(shù)據(jù)處理速度和響應(yīng)時(shí)間。
????????3. **時(shí)序一致性**：在設(shè)計(jì)中使用同步時(shí)鐘有助于保持時(shí)序一致性，確保數(shù)據(jù)在預(yù)期的時(shí)鐘周期內(nèi)被正確地處理和傳輸。

實(shí)現(xiàn)同步時(shí)鐘的方法：

????????1. **全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)**：FPGA通常提供全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)（GCLK），這是專為傳輸時(shí)鐘信號(hào)而設(shè)計(jì)的高性能、低偏差的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。利用全局時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)可以最小化時(shí)鐘偏差，確保時(shí)鐘信號(hào)在整個(gè)芯片范圍內(nèi)的一致性。

????????2. **時(shí)鐘管理單元**：如PLL（相位鎖環(huán)）和MMCM（混合模式時(shí)鐘管理器）等時(shí)鐘管理單元能夠生成多個(gè)頻率相同或不同的穩(wěn)定時(shí)鐘信號(hào)。這些單元能夠?qū)斎?span style="background-color:#fefcd8;">時(shí)鐘進(jìn)行倍頻、分頻、相位調(diào)整等操作，滿足復(fù)雜設(shè)計(jì)中的時(shí)鐘需求。

????????3. **時(shí)鐘域交叉（CDC）處理**：在涉及多個(gè)時(shí)鐘域的設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)從一個(gè)時(shí)鐘域傳輸?shù)搅硪粋€(gè)時(shí)鐘域時(shí)，需要采用CDC技術(shù)來確保數(shù)據(jù)的正確傳輸，避免因時(shí)鐘差異引起的數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。常見的CDC方法包括使用雙觸發(fā)器同步法、FIFO緩沖等技術(shù)。

????????4. **靜態(tài)時(shí)序分析（STA）**：設(shè)計(jì)階段進(jìn)行靜態(tài)時(shí)序分析，可以預(yù)先發(fā)現(xiàn)和修正可能的時(shí)序問題，確保設(shè)計(jì)滿足時(shí)序要求。STA工具能夠分析在最壞情況下的數(shù)據(jù)路徑，幫助設(shè)計(jì)者優(yōu)化時(shí)鐘設(shè)計(jì)。

（以后打算出幾期深入探討一下這些問題）

2.同步/異步電路

同步電路：同步電路是指所有的操作都是在一個(gè)共同的時(shí)鐘信號(hào)的控制下進(jìn)行的。這個(gè)時(shí)鐘信號(hào)以固定頻率產(chǎn)生脈沖，所有的邏輯操作都在時(shí)鐘脈沖的觸發(fā)下同步進(jìn)行。

?異步電路：異步電路不依賴于統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行操作，而是通過事件的發(fā)生來觸發(fā)操作，由于操作不依賴于統(tǒng)一的時(shí)鐘信號(hào)，因此異步電路在某些情況下可以提供更高的靈活性和效率。

三、同步/異步復(fù)位

同步復(fù)位：

????????同步復(fù)位指的是復(fù)位信號(hào)在觸發(fā)操作時(shí)受到時(shí)鐘信號(hào)的控制，即復(fù)位操作僅在時(shí)鐘邊沿發(fā)生時(shí)才執(zhí)行。這種方式下，復(fù)位信號(hào)被視為電路中的一個(gè)普通同步信號(hào)，需要經(jīng)過觸發(fā)器的同步過程。在時(shí)序分析中易于處理，因?yàn)樗胁僮靼◤?fù)位都遵循相同的時(shí)鐘邊沿。由于復(fù)位信號(hào)的同步性，可以減少?gòu)?fù)位過程中產(chǎn)生亞穩(wěn)態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)。復(fù)位信號(hào)的響應(yīng)需要等待下一個(gè)時(shí)鐘邊沿，可能導(dǎo)致復(fù)位響應(yīng)不夠及時(shí)。每個(gè)需要同步復(fù)位的觸發(fā)器都必須設(shè)計(jì)額外的邏輯來處理復(fù)位邏輯，可能增加資源消耗。

異步復(fù)位：

????????是指復(fù)位信號(hào)可以在任何時(shí)間直接對(duì)電路產(chǎn)生影響，不需要等待時(shí)鐘信號(hào)的邊沿。這意味著一旦檢測(cè)到復(fù)位條件，電路可以立即被復(fù)位。可以立即響應(yīng)復(fù)位信號(hào)，不受時(shí)鐘周期的限制，適合緊急停止或快速重新啟動(dòng)的場(chǎng)景。為設(shè)計(jì)提供了更多靈活性，可以在任何時(shí)刻迅速將電路恢復(fù)到安全或已知狀態(tài)。由于復(fù)位發(fā)生在非時(shí)鐘邊沿，可能增加進(jìn)入亞穩(wěn)態(tài)的風(fēng)險(xiǎn)。需要額外的電路來確保復(fù)位解除（de-assertion）是同步的，以避免在復(fù)位解除時(shí)產(chǎn)生的亞穩(wěn)態(tài)問題。

復(fù)位信號(hào)的解除：

????????無(wú)論是同步復(fù)位還是異步復(fù)位，在解除復(fù)位時(shí)，通常采用同步解除的方式。這意味著復(fù)位解除信號(hào)的變化會(huì)在時(shí)鐘邊沿同步到電路中，以減少亞穩(wěn)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。

四、同步/異步fifo

????????FIFO（First-In, First-Out）隊(duì)列是一種重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)架構(gòu)中，用于在不同的處理單元或不同的時(shí)鐘域之間傳遞數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)同步的方式，F(xiàn)IFO可以分為同步FIFO和異步FIFO。

同步FIFO：

????????指的是寫入端和讀出端都使用同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)。在這種FIFO中，數(shù)據(jù)的寫入和讀出操作都在同一個(gè)時(shí)鐘域內(nèi)完成，因此時(shí)鐘同步問題相對(duì)較少，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單。

異步FIFO：????????

????????異步FIFO允許寫入端和讀出端工作在不同的時(shí)鐘域下，這種設(shè)計(jì)在處理生產(chǎn)者和消費(fèi)者運(yùn)行在不同頻率或者需要跨越不同時(shí)鐘域進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合非常有用。支持兩個(gè)不同的時(shí)鐘域，一邊用于寫入，另一邊用于讀出，適用于連接不同速率的模塊。需要特別的設(shè)計(jì)來處理時(shí)鐘域之間的交叉（CDC）問題，以確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性。
????????在設(shè)計(jì)異步FIFO時(shí)，主要挑戰(zhàn)是處理不同時(shí)鐘域之間的數(shù)據(jù)一致性和完整性問題。為此，通常需要采用以下一些策略

????????指針同步：使用格雷碼計(jì)數(shù)器（Gray code counter）來同步讀寫指針，因?yàn)榛掖a計(jì)數(shù)器在任何時(shí)刻只改變一位，這減少了在不同時(shí)鐘域之間同步時(shí)的錯(cuò)誤概率。
????????滿和空狀態(tài)檢測(cè)：設(shè)計(jì)合理的滿和空狀態(tài)檢測(cè)邏輯，確保在任何時(shí)鐘域下，都能準(zhǔn)確判斷FIFO的狀態(tài)，避免數(shù)據(jù)丟失或重復(fù)讀取。

五、邏輯電平

????????邏輯電平是數(shù)字電路設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)概念，用于表示信號(hào)的狀態(tài)。不同的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)可能定義了不同的邏輯電平范圍，這些電平通常分為高電平（邏輯"1"）和低電平（邏輯"0"）。以下是一些常見的邏輯電平標(biāo)準(zhǔn)：

TTL（晶體管-晶體管邏輯）

高電平（邏輯"1"）：一般在2.0V到5.0V之間。
低電平（邏輯"0"）：一般在0V到0.8V之間。

CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）

高電平（邏輯"1"）：通常接近VDD（供電電壓），例如在5V供電系統(tǒng)中高電平接近5V，在3.3V系統(tǒng)中接近3.3V。
低電平（邏輯"0"）：通常接近GND（地），幾乎為0V。

LVCMOS（低電壓CMOS）

高電平（邏輯"1"）和**低電平**（邏輯"0"）：與CMOS類似，但操作電壓更低，如1.8V、2.5V或3.3V。

?LVTTL（低電壓TTL）

高電平（邏輯"1"）：通常在2.0V到3.3V之間。
低電平（邏輯"0"）：一般在0V到0.8V之間。

PECL（正發(fā)射極耦合邏輯）

高電平（邏輯"1"）：通常比地電平高約3.3V。
低電平（邏輯"0"）：比高電平低約0.8V到1.0V。

LVDS（低電壓差分信號(hào)）

不是基于絕對(duì)電平，而是基于兩個(gè)線之間電壓的差異來表示邏輯狀態(tài)。
高電平（邏輯"1"）：差分電壓正值，約為+350mV。
低電平（邏輯"0"）：差分電壓負(fù)值，約為-350mV。

RS-232

高電平（邏輯"1"）：通常在-15V到-3V之間。
低電平（邏輯"0"）：通常在+3V到+15V之間。

建立時(shí)間（Setup Time）和保持時(shí)間（Hold Time）是數(shù)字電路中，特別是在時(shí)鐘同步系統(tǒng)中非常關(guān)鍵的概念。這些參數(shù)確保數(shù)據(jù)在觸發(fā)器（如D觸發(fā)器）中能夠正確地被捕獲和存儲(chǔ)。

六、建立\保持時(shí)間

建立時(shí)間（Setup Time）：

????????是指在觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)到來之前，數(shù)據(jù)信號(hào)必須保持穩(wěn)定的最小時(shí)間。換句話說，數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘信號(hào)的上升（或下降）邊沿到來之前的一段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定，以確保數(shù)據(jù)能被觸發(fā)器正確捕獲。如果數(shù)據(jù)在這個(gè)時(shí)間窗口內(nèi)發(fā)生變化，觸發(fā)器可能會(huì)捕獲錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，導(dǎo)致未定義的行為。

保持時(shí)間（Hold Time）：

????????保持時(shí)間是指在觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)到來之后，數(shù)據(jù)信號(hào)必須保持穩(wěn)定的最小時(shí)間。這意味著數(shù)據(jù)必須在時(shí)鐘信號(hào)的上升（或下降）邊沿到來之后保持不變一段時(shí)間，以確保數(shù)據(jù)被正確地存儲(chǔ)在觸發(fā)器中。如果數(shù)據(jù)在保持時(shí)間內(nèi)發(fā)生變化，同樣可能導(dǎo)致觸發(fā)器捕獲錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)。

時(shí)鐘偏斜（Clock Skew）：

????????時(shí)鐘信號(hào)在到達(dá)不同部件時(shí)可能會(huì)有延遲差異，這種差異可能會(huì)影響建立時(shí)間和保持時(shí)間的計(jì)算。設(shè)計(jì)時(shí)需考慮時(shí)鐘偏斜，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
數(shù)據(jù)路徑延遲：

????????數(shù)據(jù)從發(fā)送端到達(dá)觸發(fā)器的時(shí)間也會(huì)影響是否能滿足建立和保持時(shí)間的要求。設(shè)計(jì)高速數(shù)字電路時(shí)，對(duì)數(shù)據(jù)路徑的分析非常關(guān)鍵。

七、"recovery time"和"removal time"

Recovery Time：

????????是指在某些數(shù)字電路或系統(tǒng)（特別是帶有異步復(fù)位或使能信號(hào)的電路）中，從一個(gè)特殊控制信號(hào)（如復(fù)位或使能信號(hào)）被解除（即從激活狀態(tài)回到非激活狀態(tài)）到下一個(gè)有效操作（如時(shí)鐘邊沿）之間必須保持穩(wěn)定的最短時(shí)間間隔。這個(gè)時(shí)間是為了確保電路從控制信號(hào)的影響中完全恢復(fù)，并準(zhǔn)備好接受下一次操作。違反recovery time要求可能會(huì)導(dǎo)致電路行為不穩(wěn)定或不可預(yù)測(cè)。

Removal Time：

????????Removal time通常與recovery time相關(guān)，但它是從另一個(gè)角度來定義的時(shí)間間隔。Removal time是指在觸發(fā)器或其他電路元件的控制信號(hào)（如復(fù)位或使能）需要保持激活狀態(tài)的最后一個(gè)有效操作（通常是時(shí)鐘信號(hào)的一個(gè)邊沿）之后，控制信號(hào)可以被安全移除（解除激活）的最短時(shí)間間隔。簡(jiǎn)而言之，它是控制信號(hào)在不影響電路當(dāng)前操作的情況下可以被移除的最短時(shí)間。

????????Recovery time確保在控制信號(hào)解除后電路有足夠的時(shí)間恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，準(zhǔn)備接受下一次的正常操作。Removal time則確保在進(jìn)行下一次正常操作之前控制信號(hào)被保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以確保其產(chǎn)生的效果被完全實(shí)現(xiàn)。

（未完待續(xù)）文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-847326.html

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