從Xilinx Kintex-7認識FPGA
- 2019 年 10 月 29 日
- 筆記
從賽靈思Kintex-7認識FPGA
作者：lee神
1 xilinxFPGA簡介
FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用積體電路（ASIC）領域中的一種半訂製電路而出現的，既解決了訂製電路的不足，又克服了原有可編程器件閘電路數有限的缺點。
Xilinx公司是FPGA的發明者，於1985年首次推出商業化FPGA，現如今也是FPGA市場佔有率最大的公司之一。Xilinx公司的FPGA產品種類眾多，其中7系列FPGA產品於2010年發布，該系列FPGA採用了更為新進的28nm製程，內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都已經大大降低。ISE和VIVADO軟體都支援7系列FPGA的開發。從spartan-7,artix-7,kintex-7到virtex-7FPGA性能依次提高。在7系列FPGA部分晶片中，xilinx採用了堆疊矽片互聯（stacked silicon interconnect, SSI）技術，進一步提升了FPGA的容量和集成度。
2 kintex-7 FPGA簡介
2.1 kintex-7簡介
Kintex-7系列是一種新型Xilinx FPGA，能以不到 Virtex-6 系列一半的價格實現與其相當性能，性價比提高一倍，功耗降低一半。該系列不僅可提供諸如大批量 10G 光學有線通訊設備等各種應用所需的高性能 10.3Gbps 或低成本優化的 6.5Gbps 串列連接性、存儲器和邏輯性能，而且還實現了訊號處理性能、功耗和成本的最佳平衡，能支援長期演進 (LTE) 無線網路部署，滿足新一代高清 3D 平板顯示器嚴格的功耗和成本要求，並提供新一代廣播影片點播系統所需的性能和頻寬。
2.2 kintex-7命名規則
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 （Speedgrade -1 slowest –l2 low power -2 mid）
FF —- 封裝類型 （packageType FF Flip-chip）
900 —- 管腳數目 （nominalpackage pin count）
C —- 溫度等級 （temperature grade）
2.3kintex-7系列FPGA
這是整個Kintex-7系列FPGA的內部邏輯資源的簡要明細表，我們在選用FPGA晶片時，可以作為參考。
3 FPGA內部結構資源
3.1傳統FPGA內部結構
傳統FPGA內部結構圖
傳統FPGA內部資源主要由IOB，CLB，BRAM以及豐富的內部布線等組成。具體的含義將在3.2節講解。
3.2Kintex-7FPGA內部結構
Kintex-7 FPGA內部結構圖
Kintex-7 FPGA的內部結構相比傳統FPGA的內部結構嵌入了DSP48E1，PCIE，GTX,XADC,高速IO口等單元，大大提升了FPGA的性能。下面將從各個模組一一介紹。
1.普通可編程IOB
IOB
可編程I/O，可配置成三態門、雙向IO、單端／差分等；支援各種不同的I/O標準：LVTTL、LVCOMS、SSTL、LVDS、HSTL、PCI等。
2.邏輯單元CLB
Kintex-7 內部CLB結構
CLB（configurable logic block）可配置邏輯單元由LUT（look up table）,MUX（多路選擇器）,carry（進位器）,FF(觸發器)組成。有圖可知，1個CLB由兩個SLICE組成，1個SLICE由4個5輸入LUT，3個MUX，1個CARRY和8個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/雙埠RAM、偽雙埠RAM、ROM、FIFO、SHIFT等；
FPGA內嵌RAM在FPGA項目開發中起著相當關鍵的作用，其中FIFO，shift-ram,rom等數據緩衝區均可用RAM設計，它和可以與FPGA內部的SRAM聯合使用。
5.DSP48E1
FPGA對於數字訊號處理（DSP）應用是有效的，因為它們可以實現自定義完全並行演算法。dsp應用程式使用許多二進位文件在專用DSP片中最好實現的乘法器和累加器。所有7系列FPGA有很多專用的、全訂製的、低功耗的DSP片，結合起來很高。小尺寸的速度，同時保持系統設計的靈活性。DSP片增強了數字訊號處理以外的許多應用的速度和效率，如寬動態匯流排移位器、存儲器地址產生器、寬匯流排多路復用器和記憶體映射I/O暫存器。
7 系列FPGA內嵌DSP的亮點功能:
•25×18二進位補碼乘法器：
動態旁路；
•48位累加器：
可以用作同步上/下計數器；
•節電前置加法器；
優化對稱濾波器應用，降低DSP片要求；
•單指令多數據（SIMD）運算單元:
雙24位或四位12位加/減/累加；
•可選的邏輯單元:
可以生成兩個操作數的十個不同的邏輯函數中的任意一個；
•模式檢測器:
收斂或對稱四捨五入；
96 -bit- wide邏輯函數，與邏輯單元一起使用；
•高級功能:
可選的流水線操作與匯流排進行級聯。
6.GTX
GTX吉比特收發器，是FPGA內部嵌入的高速收發器。由圖可知GTX大體由PCS和PMA組成。
GTX收發器支援這些使用模式:
• 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
•串列RapidIO （Serial RapidIO， SRIO）
• Serial Advanced Technology Attachment (SATA)/SerialAttached SCSI (SAS)
•串列數字介面（Serial Digital Interface， SDI）
• SFF-8431 (SFP+)
7.PCIE
FPGA內嵌PCIE硬核有PCIE的數據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）是一種通用的串列互連，也可以用於通訊、數據中心、嵌入式、測試與測量、軍事和桌面應用程式。它還可以作為外圍設備互連、片對片介面和橋接其他許多協議標準。
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需支付額外費用。
