FPGA基本原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

一、FPGA原理

FPGA中的基本邏輯單元是CLB模塊，一個(gè)CLB模塊一般包含若干個(gè)基本的查找表、寄存器和多路選擇器資源，因此FPGA中的邏輯表達(dá)式基于LUT的。

FPGA內(nèi)部的編程信息一般存儲(chǔ)在SRAM單元中，因此通常的FPGA都是基于SRAM的，所以掉電后信息會(huì)丟失，下次上電需要先配置才能使用。

著重介紹Xilinx FPGA，

二、FPGA產(chǎn)品的速度等級(jí)

速度等級(jí)一般反映一款芯片的性能，速度等級(jí)越高，說(shuō)明芯片內(nèi)的邏輯延時(shí)和布線延時(shí)越小，設(shè)計(jì)的性能要求也越容易達(dá)到，隨之付出的成本也越大。

對(duì)Xilinx FPGA，速度等級(jí)一般有“-1”、“-2”、“-3”等，數(shù)字越大，速度等級(jí)越高，芯片價(jià)錢(qián)也越貴。

對(duì)Intel FPGA，速度等級(jí)一般有“-6”、“-7”、“-8”，數(shù)字越小表示速度等級(jí)越高、價(jià)錢(qián)越貴。

三、FPGA內(nèi)部資源

邏輯資源塊是FPGA內(nèi)部最重要的資源，Xilinx稱其為CLB（configurable logic block）;

7系列中，F(xiàn)PGA內(nèi)部三大主要資源：可編程邏輯單元、可編程I/O單元、布線資源

1、可配置邏輯單元（configurable logic block）

CLB在FPGA中最為豐富，由兩個(gè)SLICE構(gòu)成，SLICE分為SLICEL（L:Logic）和SLICEM（M:Memory），因此CLB可分為CLBLL和CLBLM兩類(lèi)；

SLICEL和SLICEM內(nèi)部都包含4個(gè)6輸入查找表（LUT6）、3個(gè)數(shù)據(jù)選擇器（MUX）、1個(gè)進(jìn)位鏈（carry chain）和8個(gè)觸發(fā)器（Flip-Flop）；

2、存儲(chǔ)單元（Block RAM）

Block RAM可以被配置為同步、異步、單端口、雙端口的RAM或FIFO，或者ROM;

3、運(yùn)算單元（DSP48E1）

當(dāng)FPGA需要復(fù)雜的運(yùn)算時(shí)，會(huì)使用DSP48E1，例如乘法；

什么是STM32？

意法半導(dǎo)體（ST）集團(tuán)于1988年6月成立，是由意大利的SGS微電子公司和法國(guó)Thomson半導(dǎo)體公司合并而成。1998年5月，SGS-THOMSON Microelectronics將公司名稱改為意法半導(dǎo)體有限公司，是世界最大的半導(dǎo)體公司之一。 STM32系列基于專為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門(mén)設(shè)計(jì)的ARM Cortex?-M0，M0+，M3， M4和M7內(nèi)核（ST‘s product portfolio contains a comprehensive range of microcontrollers， from robust， low-cost 8-bit MCUs up to 32-bit ARM-based Cortex?-M0 and M0+， Cortex?-M3， Cortex?-M4 Flash microcontrollers with a great choice of peripherals. ST has also extended this range to include an ultra-low-power MCU platform）。

它具有以下三個(gè)特點(diǎn)：

?新的基于ARM內(nèi)核的32位MCU系列

–標(biāo)準(zhǔn)的ARM架構(gòu) –內(nèi)核為ARM公司為要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門(mén)設(shè)計(jì)的Cortex-M內(nèi)核

?超前的體系結(jié)構(gòu)

–高性能 –低電壓 –低功耗 –創(chuàng)新的內(nèi)核以及外設(shè)

?簡(jiǎn)單易用/自由/低風(fēng)險(xiǎn)

Cortex-M3系列屬于ARMv7架構(gòu)

ARMv7架構(gòu)定義了三大分工明確的系列：

“A”系列：面向尖端的基于虛擬內(nèi)存的操作系統(tǒng)和用戶應(yīng)用

“R”系列：針對(duì)實(shí)時(shí)系統(tǒng)；

“M”系列：對(duì)微控制器。

STM32F1屬于Cortex-M系列中的Cortex-M3內(nèi)核，采用ARMv7-M架構(gòu)。STM32F4屬于Cortex-M4系列采用ARMv7-ME架構(gòu)。Cortex-A5/A8采用ARMv7-A架構(gòu)。傳統(tǒng)的ARM7系列采用的是ARMv4T架構(gòu)。

那么STM32與ARM有什么區(qū)別呢？

Cortex-M家族

STM32和ARM有什么區(qū)別

STM32的命名規(guī)則

STM32的應(yīng)用場(chǎng)景

STM32的應(yīng)用場(chǎng)景還有很多，這里只是簡(jiǎn)單地列出一些。

總的來(lái)說(shuō)STM32具有如下優(yōu)勢(shì)：

1）極高的性能：主流的Cortex內(nèi)核。

2）豐富合理的外設(shè)，合理的功耗，合理的價(jià)格。

3）強(qiáng)大的軟件支持：豐富的軟件包。

4）全面豐富的技術(shù)文檔。

5）芯片型號(hào)種類(lèi)多，覆蓋面廣。

6）強(qiáng)大的用戶基礎(chǔ)：最先成功試水CM3芯片的公司，積累了大批的用戶群體，為其領(lǐng)先做鋪墊。

stm32與fpga的優(yōu)缺點(diǎn)

一個(gè)屬于單片機(jī)STM32 ，一個(gè)屬于可編程陣列FPGA。

STM32由于有各種外設(shè)操作起來(lái)簡(jiǎn)單，可以處理模擬以及數(shù)字信號(hào)，適用于設(shè)計(jì)的控制電路FPGA應(yīng)用也比較廣泛，只能處理數(shù)字信號(hào)，但是能同時(shí)運(yùn)行多條指令，也就是并行執(zhí)行，這是單片機(jī)、ARM等比不了的，主要用于處理各種邏輯。

STM32代表ARM Cortex-M內(nèi)核的32位微控制器，具有高性能，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，低功耗，便于低電壓操作等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還易于開(kāi)發(fā)。

按內(nèi)核架構(gòu)分，有STM32F103“增強(qiáng)型”系、STM32F101“基本型”系列、STM32F105、STM32F107“互聯(lián)型”系列。其中增強(qiáng)型系列時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類(lèi)產(chǎn)品中性能最高的產(chǎn)品；基本型時(shí)鐘頻率為36MHz，以16位產(chǎn)品的價(jià)格得到比16位產(chǎn)品大幅提升的性能，是32位產(chǎn)品用戶的最佳選擇。兩個(gè)系列都內(nèi)置32K到128K的閃存，不同的是 SRAM的最大容量和外設(shè)接口的組合。時(shí)鐘頻率72MHz時(shí)，從閃存執(zhí)行代碼，STM32功耗36mA，是32位市場(chǎng)上功耗最低的產(chǎn)品，相當(dāng)于0.5mA/MHz。

FPGA是英文Field－Programmable Gate Array的縮寫(xiě)，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)。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。