FPGA的本質(zhì)是設(shè)計(jì)一顆芯片，其開發(fā)劉成是通過(guò)verilog等硬件描述語(yǔ)言通過(guò)EDA工具編譯、綜合、布局布線成為下載文件，最終加載到FPGA器件中去，完成所實(shí)現(xiàn)的功能。而硬件描述語(yǔ)言描述的就是組合邏輯和時(shí)序邏輯電路，度和邏輯就是與、非、或組成的電路，而時(shí)序電路就是觸發(fā)器。在FPGA中，組合邏輯的變成了查找表的工作，于是所有的數(shù)字電路轉(zhuǎn)化成為查找表和寄存器，這便是FPGA的基礎(chǔ)，查找表負(fù)責(zé)邏輯實(shí)現(xiàn)，寄存器存儲(chǔ)電路狀態(tài)。現(xiàn)代FPGA內(nèi)部除了查找表和寄存器之外，還有RAM塊，用于存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)塊，這樣可以節(jié)省芯片實(shí)現(xiàn)的面積。FPGA內(nèi)部的時(shí)序電路需要時(shí)鐘的輸入，通常FPGA內(nèi)部需要的時(shí)鐘種類較多，因此需要在片內(nèi)產(chǎn)生相關(guān)的時(shí)鐘，因此時(shí)鐘管理單元DCM/PLL也是必不可少的內(nèi)部部件。除此之外，F(xiàn)PGA內(nèi)部還包括接口I/O,可分為普通I/O和高速I/O,次外還有各種各樣的硬核。

FPGA的英文翻譯過(guò)來(lái)是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，這是相對(duì)于ASIC來(lái)說(shuō)的，ASIC硬件也可以可做是門陣列，但是它是非可編程的器件，流片完成之后功能就固化了。但是FPGA 的可編程性在于其能夠重新下載配置文件，來(lái)改變其內(nèi)在的功能。兩者在前端開發(fā)流程上并無(wú)二致。FPGA作為一種器件，技術(shù)主要壟斷在ALTERA和XILINX這兩大公司手中。

（一）FPGA架構(gòu)

一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)中由單獨(dú)一個(gè)FPGA組成的情況較少，通常由多個(gè)器件組合完成，例如CPU+FPGA。通常是由一個(gè)FPGA+ARM，ARM負(fù)責(zé)軟件配置管理，界面輸入外設(shè)操作，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)大數(shù)據(jù)量運(yùn)算，可看做CPU的專用協(xié)處理器來(lái)使用，也常會(huì)用于擴(kuò)展外部接口。常用的架構(gòu)有ARM+FPGA,DSP+FPG A,或者網(wǎng)絡(luò)處理器+FPGA等，這些架構(gòu)形成構(gòu)成整個(gè)高速嵌入式設(shè)備的處理形態(tài)。實(shí)現(xiàn)高速處理方面，CPU的發(fā)展趨勢(shì)是多核。FPGA的熱門應(yīng)用有：

1）網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)產(chǎn)片

2）高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備

3）4G通信等設(shè)備：對(duì)于新一代通信基站的信號(hào)處理，F(xiàn)PGA+DSP陣列的架構(gòu)就是絕配。

總之，沒有完美的架構(gòu)，只有合適的組合。

（二）器件互聯(lián)

系統(tǒng)架構(gòu)確定之后，下一步就是FPGA和各器件的互聯(lián)問(wèn)題。通常來(lái)說(shuō)，CPU和FPGA的互聯(lián)問(wèn)題主要取決于兩個(gè)要素：

1）CPU所支持的接口

2）交互的業(yè)務(wù)

通常FPGA一般支持與CPU連接的數(shù)字接口，其常用的有EMIF，PCI，網(wǎng)口，DDR等接口。作為總線類接口，F(xiàn)PGA通常作為從設(shè)備與CPU連接，CPU作為主設(shè)備通過(guò)訪問(wèn)直接映射的地址對(duì)FPGA進(jìn)行訪問(wèn)。通常總線訪問(wèn)分為同步訪問(wèn)和異步訪問(wèn)。CPU手冊(cè)中會(huì)對(duì)信號(hào)定義時(shí)序控制有著詳細(xì)的說(shuō)明，F(xiàn)PGA根據(jù)這些詳細(xì)的說(shuō)明來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的邏輯。同時(shí)CPU還會(huì)對(duì)訪問(wèn)時(shí)序進(jìn)行設(shè)置，例如設(shè)置建立時(shí)間、保持時(shí)間、最快時(shí)鐘。對(duì)于總線型的訪問(wèn)來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)信號(hào)通常為三態(tài)，用于輸入輸出，這種設(shè)計(jì)目的減少外部連線的總數(shù)。總線訪問(wèn)優(yōu)勢(shì)是直接映射到系統(tǒng)的地址區(qū)間，訪問(wèn)較為直觀，但相對(duì)傳輸速率不高，主要原因如下:

1)受制總線訪問(wèn)間隔，即兩次訪問(wèn)中間的空閑狀態(tài)

2)不支持雙向傳輸，并且FPGA主動(dòng)對(duì)CPU發(fā)起操作是，只有中斷處理一種方式。

這種總線型操作特點(diǎn)可以使其用作系統(tǒng)的管理操作，例如FPGA內(nèi)部寄存器的配置，運(yùn)行過(guò)程中所需參數(shù)配置，以及數(shù)據(jù)量較小的信息交互等操作。這些操作數(shù)據(jù)量和所需帶寬合適，可應(yīng)對(duì)普通的嵌入式系統(tǒng)的需求處理。而對(duì)于大數(shù)據(jù)流量的數(shù)據(jù)交互，一般采用專用的總線交互，其特點(diǎn)支持雙向傳輸，總線傳輸速率較快。

（三）FPGA特點(diǎn)

FPGA最大的特點(diǎn)在于其靈活性：

1）I/O的靈活性，可以通過(guò)其I/O組成各種接口與各種器件連接，并且支持不同的電器特性。

2）內(nèi)部存儲(chǔ)器靈活，可以通過(guò)IP生成工具生成各種深度和寬度的RAM和FIFO

3）邏輯的靈活性，內(nèi)部邏輯可生成各種類型IP

（四）架構(gòu)設(shè)計(jì)

1）流驅(qū)動(dòng)式

對(duì)于一個(gè)FPGA的架構(gòu)設(shè)計(jì)，其首先需要考慮的就是性能，其次就是接口設(shè)計(jì)。一般架構(gòu)設(shè)計(jì)是采用數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)的，通常來(lái)說(shuō)應(yīng)用于IP領(lǐng)域、存儲(chǔ)領(lǐng)域、數(shù)字處理領(lǐng)域等較大型FPGA設(shè)計(jì)都是數(shù)據(jù)流驅(qū)動(dòng)式架構(gòu)，主要包括輸入接口單元，主處理單元，輸出接口單元，還可能包括輔助處理單元、外部存儲(chǔ)單元，這些單元之間一般采用流水式處理，即數(shù)據(jù)處理完之后數(shù)據(jù)打包發(fā)下一級(jí)處理。其中數(shù)據(jù)輸入輸出可能有多個(gè)，此時(shí)需要架構(gòu)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。

2）穩(wěn)定性：設(shè)計(jì)一定能夠進(jìn)行正常工作

3）時(shí)鐘域復(fù)位：復(fù)位一般采用異步復(fù)位同步釋放的方式。

4）并行與復(fù)用：并行可以提過(guò)處理速度，復(fù)用可以節(jié)省資源。最終的設(shè)計(jì)取決于對(duì)設(shè)計(jì)處理能力和邏輯數(shù)量的權(quán)衡。

5）流水線處理：簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)；時(shí)序優(yōu)化。但是流水設(shè)計(jì)對(duì)于帶反饋的設(shè)計(jì)無(wú)能為力，強(qiáng)加流水設(shè)計(jì)的話有可能會(huì)浪費(fèi)邏輯和設(shè)計(jì)。

（五）FPGA中一些常用內(nèi)部資源

1）FIFO設(shè)計(jì)：作為FPGA中內(nèi)部資源的一個(gè)常用器件，最常見與異步時(shí)鐘域劃分和緩沖數(shù)據(jù)，但不僅限于此。簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)、減少耦合、輸入輸出接口固定，便于仿真和驗(yàn)證，都是使用FIFO的好處。

2）RAM：通常實(shí)例化RAM中，一種是BLOCK RAM，一種是分布式RAM，前者可以提供較大的存儲(chǔ)空間，后者提供較小的存儲(chǔ)空間。

（五）coding原則

1）注釋：好的代碼必須有注釋，注釋至少包括文件注釋、端口注釋和功能語(yǔ)句注釋。好的注釋，可以提高代碼的可讀性，可維護(hù)性。

2）語(yǔ)句：所寫語(yǔ)句一定是可綜合的，在FPGA設(shè)計(jì)中無(wú)外乎就是時(shí)序邏輯和組合邏輯。組合邏輯是即可生效的，時(shí)序邏輯是時(shí)鐘的下一拍起效。

3）阻塞與非阻塞賦值：一般情況下，組合邏輯用的是阻塞賦值，時(shí)序邏輯用的是非阻塞賦值。

4）注意避免鎖存器的生成：鎖存器最容易產(chǎn)生在always(*)模塊，所有的分支條件都要描述并且賦值，狀態(tài)機(jī)中的default狀態(tài)也不要忘記。

（六）接口設(shè)計(jì)

在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要一個(gè)接口模塊，首先需要明確以下問(wèn)題：

1）同步接口還是異步接口？

2）有哪些信號(hào)，功能是什么？

3）信號(hào)之間的時(shí)序關(guān)系是什么？

4）傳遞的效率什么？

這些問(wèn)題的答案一般都會(huì)在datasheet中給出，一般設(shè)計(jì)一個(gè)接口模塊，必然與其他硬件電路相連接。加入外部連接接口是總線接口，至少包括以下卻不限于以下信號(hào):

1)地址：能夠支持的最大地址空間，數(shù)據(jù)和地址是否復(fù)用？

2)數(shù)據(jù)：一般讀數(shù)據(jù)和寫數(shù)據(jù)復(fù)用同一接口

3)讀寫命令

4)是否支持突發(fā)傳輸

5)同步還是異步

6)控制信號(hào)之間的相位關(guān)系以及建立時(shí)間和保持時(shí)間的要求

（6）學(xué)會(huì)總線設(shè)計(jì)

PC時(shí)代，壟斷江湖的是微軟和INTel，而在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，最具有潛質(zhì)的就是谷歌的ANDROID系統(tǒng)和ARM芯片。因此作為ARM處理做片上互聯(lián)的AMBA總線標(biāo)準(zhǔn)成為業(yè)界應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)。

AMBA總線實(shí)際是三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的集合，分別為AHB，ASB，APB。ASB已經(jīng)逐漸被AHB取代，現(xiàn)在使用最廣泛的是ＡHB和APB總線，以及最新擴(kuò)展的AXI總線。如圖為AHB和APB在一個(gè)嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用場(chǎng)景。

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審核編輯：湯梓紅