從賽靈思Kintex-7認(rèn)識(shí)FPGA

作者：lee神

1????xilinxFPGA簡(jiǎn)介

FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

Xilinx公司是FPGA的發(fā)明者，于1985年首次推出商業(yè)化FPGA，現(xiàn)如今也是FPGA市場(chǎng)占有率最大的公司之一。Xilinx公司的FPGA產(chǎn)品種類(lèi)眾多，其中7系列FPGA產(chǎn)品于2010年發(fā)布，該系列FPGA采用了更為新進(jìn)的28nm工藝，內(nèi)部邏輯資源相比之前的FPGA有了大大的提升，器件功耗相比之前的FPGA都已經(jīng)大大降低。ISE和VIVADO軟件都支持7系列FPGA的開(kāi)發(fā)。從spartan-7,artix-7,kintex-7到virtex-7FPGA性能依次提高。在7系列FPGA部分芯片中，xilinx采用了堆疊硅片互聯(lián)（stacked silicon interconnect, SSI）技術(shù)，進(jìn)一步提升了FPGA的容量和集成度。

2 kintex-7 FPGA簡(jiǎn)介

2.1 kintex-7簡(jiǎn)介

Kintex-7系列是一種新型Xilinx FPGA，能以不到?Virtex-6?系列一半的價(jià)格實(shí)現(xiàn)與其相當(dāng)性能，性?xún)r(jià)比提高一倍，功耗降低一半。該系列不僅可提供諸如大批量?10G?光學(xué)有線(xiàn)通信設(shè)備等各種應(yīng)用所需的高性能?10.3Gbps?或低成本優(yōu)化的?6.5Gbps?串行連接性、存儲(chǔ)器和邏輯性能，而且還實(shí)現(xiàn)了信號(hào)處理性能、功耗和成本的最佳平衡，能支持長(zhǎng)期演進(jìn)?(LTE)?無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部署，滿(mǎn)足新一代高清?3D?平板顯示器嚴(yán)格的功耗和成本要求，并提供新一代廣播視頻點(diǎn)播系統(tǒng)所需的性能和帶寬。

2.2 kintex-7命名規(guī)則

XC? ----????賽靈思公司（xilinxcommercial）

7 ???---- ???代?????????（generation）

K??? ---- ???家族??? ??（Family）例如：kintex

###? ---- ???邏輯（LUT）容量（logic cells in 1k units）

-1?? ?----? ?速度等級(jí)?????（Speedgrade? -1 slowest? –l2 low power -2 mid）

FF ??---- ??封裝類(lèi)型???（packageType FF? Flip-chip）

900 ?---- ??管腳數(shù)目??（nominalpackage pin count）

C?? ?----???溫度等級(jí)???（temperature grade）

2.3kintex-7系列FPGA

這是整個(gè)Kintex-7系列FPGA的內(nèi)部邏輯資源的簡(jiǎn)要明細(xì)表，我們?cè)谶x用FPGA芯片時(shí)，可以作為參考。

3 FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)資源

3.1傳統(tǒng)FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

傳統(tǒng)FPGA內(nèi)部資源主要由IOB，CLB，BRAM以及豐富的內(nèi)部布線(xiàn)等組成。具體的含義將在3.2節(jié)講解。

3.2Kintex-7FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)

Kintex-7 FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

Kintex-7 FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)嵌入了DSP48E1，PCIE，GTX,XADC,高速I(mǎi)O口等單元，大大提升了FPGA的性能。下面將從各個(gè)模塊一一介紹。

1.普通可編程IOB

IOB

可編程I/O，可配置成三態(tài)門(mén)、雙向IO、單端／差分等；支持各種不同的I/O標(biāo)準(zhǔn)：LVTTL、LVCOMS、SSTL、LVDS、HSTL、PCI等。

2.邏輯單元CLB

Kintex-7?內(nèi)部CLB結(jié)構(gòu)

CLB（configurable logic block）可配置邏輯單元由LUT（look up table）,MUX（多路選擇器）,carry（進(jìn)位器）,FF(觸發(fā)器)組成。有圖可知，1個(gè)CLB由兩個(gè)SLICE組成，1個(gè)SLICE由4個(gè)5輸入LUT，3個(gè)MUX，1個(gè)CARRY和8個(gè)FF組成，CLB是FPGA的精華所在，也是FPGA容量的主要代表。

3.IOLOGIC

IOLOGIC由ILOGIC,OLOGIC，IDELAY以及ODELAY組成。

4 BRAM

BRAM?（block RAM）嵌入式塊RAM可配置單/雙端口RAM、偽雙端口RAM、ROM、FIFO、SHIFT等；

FPGA內(nèi)嵌RAM在FPGA項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中起著相當(dāng)關(guān)鍵的作用，其中FIFO，shift-ram,rom等數(shù)據(jù)緩沖區(qū)均可用RAM設(shè)計(jì)，它和可以與FPGA內(nèi)部的SRAM聯(lián)合使用。

5.DSP48E1

FPGA對(duì)于數(shù)字信號(hào)處理（DSP）應(yīng)用是有效的，因?yàn)樗鼈兛梢詫?shí)現(xiàn)自定義完全并行算法。dsp應(yīng)用程序使用許多二進(jìn)制文件在專(zhuān)用DSP片中最好實(shí)現(xiàn)的乘法器和累加器。所有7系列FPGA有很多專(zhuān)用的、全定制的、低功耗的DSP片，結(jié)合起來(lái)很高。小尺寸的速度，同時(shí)保持系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性。DSP片增強(qiáng)了數(shù)字信號(hào)處理以外的許多應(yīng)用的速度和效率，如寬動(dòng)態(tài)總線(xiàn)移位器、存儲(chǔ)器地址產(chǎn)生器、寬總線(xiàn)多路復(fù)用器和內(nèi)存映射I/O寄存器。

7?系列FPGA內(nèi)嵌DSP的亮點(diǎn)功能:

?25×18二進(jìn)制補(bǔ)碼乘法器：

動(dòng)態(tài)旁路；

?48位累加器：

可以用作同步上/下計(jì)數(shù)器；

?節(jié)電前置加法器；

優(yōu)化對(duì)稱(chēng)濾波器應(yīng)用，降低DSP片要求；

?單指令多數(shù)據(jù)（SIMD）運(yùn)算單元:

雙24位或四位12位加/減/累加；

?可選的邏輯單元:

可以生成兩個(gè)操作數(shù)的十個(gè)不同的邏輯函數(shù)中的任意一個(gè)；

?模式檢測(cè)器:

收斂或?qū)ΨQ(chēng)四舍五入；

96 -bit- wide邏輯函數(shù)，與邏輯單元一起使用；

?高級(jí)功能:

可選的流水線(xiàn)操作與總線(xiàn)進(jìn)行級(jí)聯(lián)。

6.GTX

GTX吉比特收發(fā)器，是FPGA內(nèi)部嵌入的高速收發(fā)器。由圖可知GTX大體由PCS和PMA組成。

GTX收發(fā)器支持這些使用模式:

? PCI Express,?版本?1.1/2.0/3.0

? 10GBASE-R

? Interlaken

? 10 Gb Attachment Unit Interface (XAUI), Reduced PineXtended Attachment Unit Interface (RXAUI), 100 Gb Attachment Unit Interface(CAUI), 40 Gb Attachment Unit Interface (XLAUI)

? Common Packet Radio Interface (CPRI)/Open Base StationArchitecture Initiative (OBSAI)

? OC-48/192

? OTU-1, OTU-2, OTU-3, OTU-4

?串行RapidIO?（Serial RapidIO，?SRIO）

? Serial Advanced Technology Attachment (SATA)/SerialAttached SCSI (SAS)

?串行數(shù)字接口（Serial Digital Interface，?SDI）

? SFF-8431 (SFP+)

7.PCIE

FPGA內(nèi)嵌PCIE硬核有PCIE的數(shù)據(jù)鏈路層以及物理層組成，物理層又可分為邏輯物理子層和電氣物理子層。

PCI Express（PCIe）是一種通用的串行互連，也可以用于通信、數(shù)據(jù)中心、嵌入式、測(cè)試與測(cè)量、軍事和桌面應(yīng)用程序。它還可以作為外圍設(shè)備互連、片對(duì)片接口和橋接其他許多協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。

Xilinx提供了高性能和低功耗集成硬塊PCIe嵌入在Xilinx公司的所有可編程器件無(wú)需支付額外費(fèi)用。

編輯：黃飛

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