一文帶你讀懂FPGA的組成結(jié)構(gòu)

FPGA 器件結(jié)構(gòu)

1、可編程邏輯門陣列，由最小單元 LE 組成。

2、可編程輸入輸出單元 IOE。

3、嵌入式 RAM 塊，為 M4K 塊，每個的存儲量為 4K，掉電丟失。

4、布線網(wǎng)絡(luò)。

5、PLL 鎖相環(huán)，EP4CE6E22C8N 最大的倍頻至 250MHz，這也是該芯片的最大工作頻率。

1、基于 SRAM 結(jié)構(gòu)的 FPGA

目前最大的兩個 FPGA 廠商 Altera 公司和 Xilinx 公司的 FPGA 產(chǎn)品都是基于 SRAM 工藝來實現(xiàn)的。這種工藝的優(yōu)點是可以用較低的成本來實現(xiàn)較高的密度和較高的性能;缺點是掉電后 SRAM 會失去所有配置，導(dǎo)致每次上電都需要重新加載。

重新加載需要外部的器件來實現(xiàn)，不僅增加了整個系統(tǒng)的成本，而且引入了不穩(wěn)定因素。加載過程容易受外界干擾而導(dǎo)致加載失敗，也容易受“監(jiān)聽”而破解加載文件的比特流。

雖然基于 SRAM 結(jié)構(gòu)的 FPGA 存在這些缺點，但是由于其實現(xiàn)成本低，被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，尤其是民用產(chǎn)品方面。

2、基于反熔絲結(jié)構(gòu)的 FPGA

目前 FPGA 廠商 Actel 公司的 FPGA 產(chǎn)品都是基于反熔絲結(jié)構(gòu)的工藝來實現(xiàn)的，這種結(jié)構(gòu)的 FPGA 只能編程一次，編程后和 ASIC 一樣成為了固定邏輯器件。QuickLogic 公司也有類似的 FPGA 器件，主要面向軍品級應(yīng)用市場。

這樣的 FPGA 失去了反復(fù)可編程的靈活性，但是大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，這種結(jié)構(gòu)的 FPGA 比較適合應(yīng)用在環(huán)境苛刻的場合，如高振動、強電磁輻射等航空航天領(lǐng)域。同時，系統(tǒng)的保密性也得到了提高。這類 FPGA 因為上電后不需要從外部加載配置，所以上電后可以很快進入工作狀態(tài)，即“瞬間上電”技術(shù)，這個特性可以滿足一些對上電時間要求苛刻的系統(tǒng)。由于是固定邏輯，這種器件的功耗和體積也要低于 SRAM 結(jié)構(gòu)的 FPGA。

3、基于 Flash 結(jié)構(gòu)的 FPGA

Flash 具備了反復(fù)擦寫和掉電后內(nèi)容非易失特性，因而基于 Flash 結(jié)構(gòu)的 FPGA 同時具備了 SRAM 結(jié)構(gòu)的靈活性和反融絲結(jié)構(gòu)的可靠性。這種技術(shù)是最近幾年發(fā)展起來的新型 FPGA 實現(xiàn)工藝，目前實現(xiàn)的成本還偏高，沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用。

從系統(tǒng)安全的角度來看，基于 Flash 結(jié)構(gòu)的 FPGA 具有更高的安全性，硬件出錯的幾率更小，并能夠通過公共網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)安全性遠程升級，經(jīng)過現(xiàn)場處理即可實現(xiàn)產(chǎn)品的升級換代，該性能減少了現(xiàn)場解決問題所需的昂貴開銷。

基于 Flash 結(jié)構(gòu)的 FPGA 在加電時沒有像基于 SRAM 結(jié)構(gòu)的 FPGA 那樣大的瞬間高峰電流，并且基于 SRAM 結(jié)構(gòu)的 FPGA 通常具有較高的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗。因此，基于 SRAM 結(jié)構(gòu)的 FPGA 功耗問題往往迫使系統(tǒng)設(shè)計者不得不增大系統(tǒng)供電電流，并使得整個設(shè)計變得更加復(fù)雜。

審核編輯 黃昊宇