第4章FPGA基本介紹4.1FPGA概述4.2FPGA系列及型號選擇4.3FPGA性能衡量指標(biāo)

4.1FPGA概述

4.1.1可編程邏輯器件FPGA是可編程邏輯器件的一種。在數(shù)字電子系統(tǒng)領(lǐng)域，存在三種基本的器件類型：存儲器、微處理器和邏輯器件。

可編程邏輯器件包括PAL、GAL、PLD等，經(jīng)過不斷的發(fā)展，現(xiàn)已演變成兩種主要類型：FPGA和CPLD。在這兩類可編程邏輯器件中，F(xiàn)PGA基于查找表結(jié)構(gòu)，其提供了最高的邏輯密度、最豐富的特性和最高的性能；而CPLD基于乘積項結(jié)構(gòu)，提供的邏輯資源比FPGA少得多?？梢钥闯?，F(xiàn)PGA具有其他可編程邏輯器件不具有的優(yōu)點。

4.1.2FPGA的特點

不同于其他可編程邏輯器件，F(xiàn)PGA具有以下獨特的優(yōu)點：

(1)高性能和實時性。

(2)高集成性。

(3)高可靠性和低成本。

(4)高靈活性和低功耗。

4.1.3FPGA的體系結(jié)構(gòu)

FPGA獨特的體系結(jié)構(gòu)使得它具有高性能、低能耗、可配置等特點。FPGA的結(jié)構(gòu)如圖4-1所示。

圖4-1FPGA的結(jié)構(gòu)

(1)?CLB。CLB是FPGA的基本邏輯單元，其內(nèi)部又可以分為組合邏輯和寄存器兩部分。組合邏輯電路實際上是一個多變量輸入的PROM陣列，可以實現(xiàn)多變量任意函數(shù)；而寄存器電路則是由多個觸發(fā)器及可編程輸入、輸出和時鐘端組成的。在FPGA中，所有的邏輯功能都是在CLB中完成的。

(2)?IOB。IOB為芯片內(nèi)部邏輯和芯片外部的輸入端/輸出端提供接口，可編程為輸入、輸出和雙向I/O三種方式。

(3)?PI。FPGA依靠對PI的編程，將各個CLB和IOB有效地組合起來，實現(xiàn)系統(tǒng)的邏輯功能。

4.2FPGA系列及型號選擇

4.2.1FPGA生產(chǎn)廠家Xilinx和Altera公司生產(chǎn)的FPGA產(chǎn)品的區(qū)別如表4-1所示。

4.2.2FPGA系列

表4-2和表4-3為兩家公司所生產(chǎn)的FPGA子系列。

4.2.3基于應(yīng)用的FPGA型號選擇

這里總結(jié)了6類應(yīng)用中較為常用的FPGA型號，如表4-4所示。

4.3FPGA性能衡量指標(biāo)

衡量FPGA的性能，是進行FPGA實驗的關(guān)鍵之一。一般來說，F(xiàn)PGA芯片的性能指標(biāo)可以從說明文檔里查看。除此之外，F(xiàn)PGA的性能還可以從速率、帶寬、時延、時延帶寬積、往返時間和資源利用率等多個角度來衡量評估。

(1)速率：衡量速率的指標(biāo)包括吞吐量、CPI、MIPS、MFLOPS、GFLOPS和TFLOPS等。其中：

①吞吐量是指系統(tǒng)在單位時間內(nèi)處理請求的數(shù)量。

②CPI(ClockCyclePerInstruction)是執(zhí)行一條指令所需的時鐘周期數(shù)。

③MIPS(MillionInstructionPerSecond)是每秒執(zhí)行多少百萬條指令。

④MFLOPS(MegaFLoating-pointOperationPerSecond)是每秒執(zhí)行多少百萬次浮點運算。

⑤GFLOPS(GigaFLoating-pointOperationPerSecond)是每秒執(zhí)行多少十億次浮點運算。

⑥TFLOPS(TeraFLoating-pointOperationPerSecond)是每秒執(zhí)行多少萬億次浮點運算。

(2)帶寬(Bandwidth)：單位時間內(nèi)從一端傳送到另一端的最大數(shù)據(jù)量。

(3)時延(Delay或Latency)：數(shù)據(jù)從一端傳送到另一端所需的時間，有時也稱為延遲或遲延。時延由以下幾個不同的部分組成：

①發(fā)送時延：主機或路由器發(fā)送數(shù)據(jù)幀所需的時間。

②傳播時延：電磁波在信道中傳播一定的距離所需的時間。

③處理時延：主機或者路由器接收到分組后，對其進行處理所需的時間。

④排隊時延：分組在網(wǎng)絡(luò)傳輸時，進入路由器后要在輸入隊列中排隊等待處理，路由器確定轉(zhuǎn)發(fā)接口后，還要在輸出隊列中排隊等待轉(zhuǎn)發(fā)，這些等待時間即為排隊時延。

(4)時延帶寬積(Bandwidth-DelayProduct)：傳播時延?×?帶寬，表示一條鏈路上傳播的所有比特(以比特為單位)。

(5)往返時間(Round-TripTime，RTT)：從發(fā)送端發(fā)送