FPGA是在PAL、PLA和CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展起來的一種更復(fù)雜的可編程邏輯器件,。它是ASIC領(lǐng)域中的一種半定制電路,，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路有限的缺點(diǎn),。

　　由于FPGA需要被反復(fù)燒寫，它實(shí)現(xiàn)組合邏輯的基本結(jié)構(gòu)不可能像ASIC那樣通過固定的與非門來完成,，而只能釆用一種易于反復(fù)配置的結(jié)構(gòu),，查找表-Look Up Table,LUT，可以很好地滿足這一要求,。目前,，主流FPGA都采用了基于SRAM工藝的查找表結(jié)構(gòu)，也有一些軍品和宇航級FPGA采用Flash/熔絲/反熔絲工藝的查找表結(jié)構(gòu),。

　　1 查找表結(jié)構(gòu)及功能

　　由布爾代數(shù)理論可知,，對于一個(gè)n輸入的邏輯運(yùn)算，最多產(chǎn)生2^n個(gè)不同的組合,。所以,，如果預(yù)先將相應(yīng)的結(jié)果保存在一個(gè)存儲(chǔ)單元中，就相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了與非門電路的功能,。

　　FPGA的原理的實(shí)質(zhì),，就是通過配置文件對查找表進(jìn)行配置，從而在相同的電路情況下實(shí)現(xiàn)了不同的邏輯功能,。

　　1.1 輸入查找表結(jié)構(gòu)

　　LUT本質(zhì)就是一個(gè)RAM,。自FPGA誕生以來，多使用4輸入的LUT,，可以看成一個(gè)包含四位地址線的RAM,。當(dāng)設(shè)計(jì)者通過原理圖或HDL描述了一個(gè)邏輯電路后，F(xiàn)PGA廠商提供的集成開發(fā)工具就會(huì)自動(dòng)計(jì)算邏輯電路的所有可能結(jié)果,，并把真值表事先寫人到RAM中,。這樣，每輸入一個(gè)信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算就等于輸人一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對應(yīng)的內(nèi)容,，然后輸出內(nèi)容即可,。

　　下面用一個(gè)4輸人邏輯與門電路的例子來說明LUT實(shí)現(xiàn)組合邏輯的原理。LUT描述四輸入邏輯與關(guān)系如表2.1所示,。

　　表2.1 輸入與門的真值表

　　從表2.1可以看到,，LUT具有和邏輯電路相同的功能，但是LUT具有更快的執(zhí)行速度和更大的規(guī)模,。與傳統(tǒng)化簡真值表構(gòu)造組合邏輯的方法相比,，LUT具有明顯的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：

　?。?）LUT實(shí)現(xiàn)組合邏輯的功能由輸入決定,，而不是由復(fù)雜度決定。

　?。?）LUT實(shí)現(xiàn)組合邏輯有固定的傳輸延遲,。

　　1.2 輸入查找表新結(jié)構(gòu)

　　在65nm工藝條件下，與其他電路（特別是互連電路）相比,，LUT的常規(guī)結(jié)構(gòu)大大縮小,。一個(gè)具有4倍比特位的6輸入LUT結(jié)構(gòu)僅僅將所占用的CLB面積增加了15%，但是平均而言,，每個(gè)LUT上可集成的邏輯數(shù)量卻提高了40%,。當(dāng)采用更高的邏輯密度時(shí)，通?？梢越档图壜?lián)LUT的數(shù)目,，并且改進(jìn)關(guān)鍵路徑延遲性能。

　　新一代的FPGA提供了真正的6輸入LUT可以將它用作邏輯或者分布式存儲(chǔ)器,，這時(shí)，LUT是一個(gè)64位的分布式RAM（甚至雙端口或者四端口）或者一個(gè)32位可編程移位寄存器,。每個(gè)LUT具有兩個(gè)輸出,，從而實(shí)現(xiàn)了五個(gè)變量的兩個(gè)邏輯函數(shù)，存儲(chǔ)32X2 RAM比特,，或者作為6輸入16X2比特的移位寄存器進(jìn)行工作,。公眾號：OpenFPGA

　　LUT邏輯結(jié)構(gòu)在每個(gè)LUT中融合了更多的邏輯塊，使用了較少的局部互連節(jié)點(diǎn)或更少的高電容節(jié)點(diǎn)（邏輯功能之間）,，降低了邏輯層次,，從而縮短了路徑延遲。這種新的對稱布線還使相鄰邏輯之間的連接更加直接,，進(jìn)一步降低了布線電容,。

　　下面通過采用4和6輸入LUT實(shí)現(xiàn)多路選擇器（MUX）的例子來說明6輸入查找表的優(yōu)勢。如圖2.16（a）所示，在4輸入LUT的結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)一個(gè)8:1的MUX需要四個(gè)4輸入LUT和三個(gè)MUXF模塊,；如圖2.16（b）所示,，在6輸入LUT的架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)同樣的8:1的MUX只需要兩個(gè)LUT和一個(gè)MUX模塊。因此,，采用6輸入LUT結(jié)構(gòu)時(shí),，所構(gòu)造的邏輯 結(jié)構(gòu)性能更高且利用率更好。

　　1.3可配置的邏輯塊

　　可配置的邏輯塊（Configurable Logic Block,CLB）是FPGA內(nèi)主要的邏輯資源,，用于實(shí)現(xiàn)時(shí)序和組合邏輯電路,。7系列的CLB提供了高性能的FPGA邏輯：

　　真正的6輸人查找表：

　　雙LUT5（5輸人LUT））選項(xiàng)；

　　可作為分布式存儲(chǔ)器和移位寄存器,；

　　用于算術(shù)功能的快速進(jìn)位邏輯,；

　　寬的多路復(fù)用器。

　　每個(gè)CLB連接到一個(gè)開關(guān)矩陣用于訪問通用的布線資源,，如圖2.17所示,。一個(gè)CLB包含兩個(gè)切片（Slice）每個(gè)切片中，包含4個(gè)6輸入的查找表,、8個(gè)觸發(fā)器,、多路復(fù)用器和算術(shù)進(jìn)位邏輯。

　　注：這兩個(gè)切片沒有直接的相互連接,，每個(gè)切片以列的形式排列在一起,。

　　在7系列的FPGA中，大約2/3的Slice是SLICEL邏輯（L表示Logic）,，剩下的是SLICEM邏輯（M表示Memory）對于SLICEM來說,，除了實(shí)現(xiàn)SLICEL內(nèi)的邏輯功能外，它也能通過使用它內(nèi)部的LUT構(gòu)造出分布式的64位RAM或者32位的移位寄存器（SRL32）或者2個(gè)SRL16,。

　　每個(gè)CLB由兩個(gè)Slice構(gòu)成,，如圖2.18所示。對于每個(gè)CLB來說：

　?。?）SLICE（0）在CLB的底部和左邊一列,。

　　（2）SLICE（1）在CLB的頂部和右邊一列,。

　　注：X后面的數(shù)字用于標(biāo)識CLB內(nèi)每個(gè)切片的位置,，以及切片所在列的位置。

　?。?）X編號：切片位置從底部以順序0,，1開始計(jì)算（第1列CLB），2,、3（第2列CLB）等,。公眾號：OpenFPGA

　?。?）Y編號：標(biāo)識切片所在行的位置。在同一個(gè)CLB內(nèi)Y后面的值是一樣的,。計(jì)算從底部的CLB開始,，從一行CLB遞增到下一行CLB。

　　SLICEM的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和SLICEL的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分別如圖2.19和圖2.20所示,。

　　1.3時(shí)鐘資源

　　7系列的FPGA提供了6種不同類型的時(shí)鐘線,，包括BUFG、BUFR,、BUFIO,、BUFH、BUFMR和高性能的時(shí)鐘,，以此來解決不同的時(shí)鐘要求,，這些要求包括高扇出、短傳遞延遲和特別低抖動(dòng),。組和全局時(shí)鐘的描述如圖2.21所示,。

　　1.全局時(shí)鐘

　　7系列FPGA提供了最高扇岀的32個(gè)全局時(shí)鐘線，它能到達(dá)每個(gè)觸發(fā)器時(shí)鐘,，時(shí)鐘使能和置位/復(fù)位,。通過水平時(shí)鐘緩沖區(qū)BUFH驅(qū)動(dòng)在任何時(shí)鐘域的12個(gè)全局時(shí)鐘線。每個(gè)BUFH可以獨(dú)立地使能/禁止,，并且允許關(guān)閉一個(gè)區(qū)域的時(shí)鐘,，因此提供了細(xì)粒度控制時(shí)鐘域功耗的能力。全局時(shí)鐘緩沖區(qū)也能驅(qū)動(dòng)全局時(shí)鐘線,，可以實(shí)現(xiàn)無毛刺的時(shí)鐘復(fù)用和時(shí)鐘使能功能,。全局時(shí)鐘常常由CMT驅(qū)動(dòng)，能完全消除基本時(shí)鐘分布延遲,。

　　2.區(qū)域時(shí)鐘

　　區(qū)域時(shí)鐘能驅(qū)動(dòng)其區(qū)域內(nèi)的所有時(shí)鐘目的,。一個(gè)區(qū)域定義為一個(gè)包含50個(gè)I/O以及 50個(gè)CLB高度和跨越半個(gè)芯片寬度的區(qū)域 域內(nèi)，提供4個(gè)時(shí)鐘跟蹤,。通過4個(gè)時(shí)鐘使能（Clock-capable Clock,CCIO）輸入引腳的其中一個(gè)引腳,，可以驅(qū)動(dòng)每個(gè)區(qū)域時(shí)鐘緩沖區(qū)。在7系列FPGA中,，有兩種類型的CCIO：兩個(gè)多區(qū)域（MulTI-region Clock-capable，MRCC）和兩個(gè)單區(qū)域CCIO（Single-region Clock capable CLOCK,，SRCC）,。

　　CCIO的輸入為差分/單端模式，它用來驅(qū)動(dòng)4個(gè)I/O時(shí)鐘BUFIO,、4個(gè)區(qū)域時(shí)鐘BUFR以及本區(qū)域中任何一個(gè)CMT,。

　　7系列FPGA引入了多時(shí)鐘區(qū)域緩沖區(qū)BUFMR提供了跨越區(qū)域/組的能力,。

　　3.I/O時(shí)鐘

　　I/O時(shí)鐘頻率很高，它只用于I/O邏輯和串行/解串行電路,。在7系列FPGA中,，提供了從MMCM到I/O的直接連接，它為低扭曲和高性能接口提供時(shí)鐘,。

　　1.4時(shí)鐘管理模塊

　　7系列FPGA內(nèi)的每個(gè)時(shí)鐘管理模塊（Clock Management TIle,CMT）包含一個(gè)混合模式的時(shí)鐘管理器（Mixed-mode Clock Manager,MMCM）和一個(gè)相位鎖相環(huán)（Phase Locked Loop,PLL）,。PLL包含了MMCM功能的部分。

　　7系列FPGA內(nèi)CMT的結(jié)構(gòu),，如圖2.22所示,，圖中給出各種時(shí)鐘源和MMCM/PLL的連接，輸人多路復(fù)用器從IBUFG,、BUFG,、BUFR、BUFH,、GT或者本地互聯(lián)中,，選擇參考源和反饋時(shí)鐘。

　　7系列的FPGA提供最多24個(gè)CMT,。MMCM和Pll用于頻率合成器,，用于寬范圍的頻率。MMCM和PLL的符號描述如圖2.23所示,。

　　在7系列FPGA內(nèi),，PLL是MMCM功能的一部分。MMCM支持的額外特性包括：

　　使用CLKOUT[0…3]實(shí)現(xiàn)到BUFR或者BUFIO的直接高性能路徑連接,；

　　反相的時(shí)鐘輸出CLKOUT[0…3],；

　　CLK0UT6;

　　CLK0UT4_CASCADE;

　　為CLKOUTO_DIVIDE_F行小數(shù)分頻；

　　為CLKFBOUT_MULT_F行小數(shù)倍頻,；

　　細(xì)微的相位移動(dòng),；

　　動(dòng)態(tài)的相位移動(dòng)。MMCM的內(nèi)部結(jié)構(gòu),，如圖2.24所示,。MMCM的相位-頻率檢測器PFD用于比較輸入時(shí)鐘和反饋時(shí)鐘的上升沿頻率和相位。在兩個(gè)時(shí)鐘之間,，PFD產(chǎn)生與相位和頻率成比例的信號,，該信號驅(qū)動(dòng)充電泵CP和環(huán)路濾波器LF，用于為壓控振蕩器VCO產(chǎn)生一個(gè)參考電壓,。

　　1.5塊存儲(chǔ)器資源

　　大多數(shù)FPGA都具有內(nèi)嵌的塊RAM,，這極大拓展了FPGA的應(yīng)用范圍和靈活性。BRAM用于高效的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)或者緩沖,，可用于高性能的狀態(tài)機(jī),、FIFO緩沖區(qū),、大的移位寄存器、大的LUT或者ROM塊,。RAM的結(jié)構(gòu)如圖2.25所示,。

　　7系列的FPGA提供了20?1880個(gè)雙端口的塊存儲(chǔ)器，每個(gè)BRAM的容量為36KB,，在7系列FPGA內(nèi),，BRAM的關(guān)鍵特性包括：

　　雙端口存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)寬度最多為72位；

　　可編程的FIFO邏輯,；

　　內(nèi)建可選的糾錯(cuò)電路,。

　　FPGA內(nèi)的每個(gè)BRAM提供了兩個(gè)可訪問的端口，但是它也能配置為單端口RAM,。

　　每個(gè)存儲(chǔ)器的讀/寫訪問由時(shí)鐘控制,。所有的輸入數(shù)據(jù)、地址,、時(shí)鐘使能和寫使能都經(jīng)過寄存,。輸人地址總是由時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)，一直保持?jǐn)?shù)據(jù),，直到下一個(gè)操作,。可選的輸出數(shù)據(jù)流水線寄存器,，允許以一個(gè)額外時(shí)鐘的代價(jià),，產(chǎn)生更高的時(shí)鐘速率。

　　1.BRAM的配置

　　每個(gè)端口可以配置成32KX1,、16KX2,、8KX4、4KX9,、2KX18,、1KX36或者512X72。

　　兩個(gè)相鄰的BRAM能級聯(lián)構(gòu)成一個(gè)64KX1的雙端口存儲(chǔ)器,，且不需要添加任何邏輯,。

　　注：上面的容量以比特計(jì)算。

　　2.檢錯(cuò)和糾錯(cuò)

　　每個(gè)64位寬的BRAM可以產(chǎn)生,、保存和使用8位額外的海明碼,。在讀過程中，可以糾正單比特錯(cuò)誤以及檢測兩比特錯(cuò)誤,。在讀寫外部64?72位寬的存儲(chǔ)器時(shí),，也可以使用ECC邏輯。

　　3.UFO控制器

　　7系列FPGA提供了FIFO結(jié)構(gòu),，內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2.26所示,。

　　該結(jié)構(gòu)便用單時(shí)鐘（同步）或雙時(shí)鐘（異步）操作，遞增內(nèi)部的地址,，并且提供了4個(gè)握手信號線：full（滿）,、empty（空）、almostfull（幾乎滿）和almostempty（幾乎空）,。

　　注：1,、可自由編程幾乎滿和幾乎空標(biāo)志；2,、FIFO的寬度和深度也可以編程,，但是讀和寫端口總是相同的寬度；3,、圖2.26中的讀寫指針專用于FIFO,。

　　在首字跌落（First Word Fall-through）模式中，在第一個(gè)讀操作前,，第一個(gè)寫人的字自動(dòng)出現(xiàn)在數(shù)據(jù)輸出端,。當(dāng)讀取第一個(gè)字后，這個(gè)模式就和標(biāo)準(zhǔn)模式一樣了,。

　　1.6互聯(lián)資源

　　互聯(lián)是FPGA內(nèi)用于在功能元件,，例如IOB、CLB,、DSP和BRAM的輸人和輸出信號提供通路的可編程網(wǎng)絡(luò),。互聯(lián)也稱為布線以規(guī)則的陣列排列,，被分段用于最優(yōu)的連接,。

　　在7系列FPGA中，CLB以規(guī)則的陣列排列,。每個(gè)島開關(guān)矩陣的連接用來訪問通用的布線資源,，如圖2.27所示。

　　在7系列FPGA中,，提供不同類型的布線,，如圖2.28所示。這些布線通過長度來定義,?；ヂ?lián)類型有：快速連接、單連接,、雙連接和四連接,。

　　（1）快速連接：將模塊的輸出連接到自己模塊的輸人,。

　?。?）單連接：在垂直和水平方向上,，布線連接到相鄰的單元。

　?。?）雙連接：在所有四個(gè)方向上,，水平和垂直連接到所有其他的單元和對角線相鄰的單元。

　?。?）四連接：在水平和垂直方向上,，每隔4個(gè)CLB連接一個(gè)單元或者以對角線方式連接到相隔兩行和兩列距離的單元。

　　1.7專用的DSP模塊

　　在7系列的FPGA中,，集成了專用的,、充分定制的低功耗的XtremeDSP  DSP48E1 DSP模塊，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖29所示,。其增強(qiáng)的特性主要表現(xiàn)在：

　?。?）25X18位的補(bǔ)碼乘法器/累加器，高分辨率48位信號處理器,，其工作頻率最高可以達(dá)到638MHz,；

　　（2）低功耗的預(yù)加法器可用于構(gòu)建濾波器,，它降低了所需的50% DSP Slice資源,；

　　（3）高級的特性包括可選的流水線,、可選的ALU以及用于級聯(lián)的專用總線,。

　　在數(shù)字信號處理應(yīng)用中，會(huì)使用大量的二進(jìn)制乘法器和累加器,，因此推薦在專用的DSP Slice中實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號處理算法,。在DSP Slice中，設(shè)計(jì)者可以動(dòng)態(tài)選擇旁路掉乘法器,。

　　此外,，兩個(gè)48位的數(shù)據(jù)可以輸人到一個(gè)單指令多數(shù)據(jù)流SIMD算術(shù)單元（它可以實(shí)現(xiàn)雙24位加/減/累加，或者4個(gè)12位加/減/累加）操作,，或者一個(gè)邏輯單元（它可以實(shí)現(xiàn)10種不同的邏輯功能運(yùn)算）,。

　　在DSP Slice中還提供一個(gè)48位的模式檢測器，用于收斂或者對稱的四舍五人操作,。當(dāng)它與邏輯單元一起使用時(shí),，模式檢測器也可以實(shí)現(xiàn)96位寬度的邏輯功能。

　　DSP Slice所提供的流水線以及擴(kuò)展功能,，顯著提高了數(shù)字信號處理算法的處理速度和處理效率,。

　　1.8 輸入和輸出塊

　　7系列FPGA對輸入和輸出進(jìn)行了優(yōu)化，這樣可以在物理級和邏輯級上滿足不同的要求，這些要求包括高速存儲(chǔ)器,、網(wǎng)絡(luò),、視頻平板和傳感器接口，高速的ADC/DAC連接,，以及傳統(tǒng)接口,。7系列的FPGA使用了統(tǒng)一的I/O架構(gòu)。

　　物理I/O能力和結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)I/O標(biāo)準(zhǔn)范圍,、端接和低功耗模式。每個(gè)I/O組的I/O數(shù)量,，它們相對時(shí)鐘和新I/O資源放置的位置以及I/O在FPGA晶圓上的排列順序同等重要,。此外，I/O綁定邏輯功能,，例如輸入/輸岀延遲和串行化/解串行化功能,，它對于支持高帶寬應(yīng)用也非常關(guān)鍵。在I/O上所增加的新功能,，如移相器,、PLL和I/O FIFO完整接口特性，可用于支持最高性能的DDR3以及其他存儲(chǔ)器接口,?；綢/O結(jié)構(gòu)和新I/O相關(guān)的模 塊，如圖2.30所示,。

　　1.I/O物理級

　　在物理級上,，I/O要求支持一個(gè)給定范圍的驅(qū)動(dòng)電壓和驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度，以及功能接口可接受的不同I/O標(biāo)準(zhǔn),。此外,，I/O也支持不同的輸入/輸出端接特性。在7系列的FPGA中,，支持兩種不同類型的I/O,。

　　（1）高性能（High Performance,HP）I/O,。在I/O組中,，將它們稱為HP I/O組。

　?。?）寬范圍（High Range,HR）I/O,。在I/O組中，將它們稱為HR I/O組,，它支持寬范圍的I/O標(biāo)準(zhǔn),。

　　在7系列FPGA中，這兩種I/O類型被分別綁定到一個(gè)包含50 I/O的整個(gè)I/O組內(nèi)。

　?。?）在ArTIx-7系列的FPGA中,，只有3.3V的HR I/O組。

　?。?）在Virtx-7和Kintex-7系列的FPGA中,，既有HP I/O組，也有HR I/O組,。

　　下面詳細(xì)介紹HP I/O和HR I/O組,。Kintex-7 XC7K160T的I/O組和CMT的布局結(jié)構(gòu)如圖2.31所示。

　　用于存儲(chǔ)器接口的I/O電源主要有三個(gè)元件：

　?。?）DCI用于匹配PCB布線的阻抗,。

　　（2）參考輸入接收器,，用于將I/O電壓調(diào)整到核電壓,。

　　（3）IDELAY用于將信號同步到時(shí)鐘,。

　　2.I/O邏輯級

　　在7系列FPGA中,，所有I/O都能被配置成組合或者寄存方式。所有的輸入/輸出支持雙數(shù)據(jù)率（Double Data Rate, DDR）,，通過對IDEALY和ODELAY編程,，可以對任何一個(gè)輸入和某些輸出進(jìn)行延遲。

　　每個(gè)I/O塊包含一個(gè)可編程的絕對延遲原語IDELAY2,。IDELAY可以連接到ILOGICE2/ISERDESE2或者ILOGICE3/ISERDESE2模塊,。每個(gè)HP I/O組包含一個(gè)可編程絕對延遲原語稱為ODELAY2。

　　注：

　?。?）原語（primiTIve）是指FPGA內(nèi)部的基本功能模塊,。

　　（2）對于HR I/O組來說,，不提供ODELAY2原語,。

　　此外，對于很多應(yīng)用而言需要,。連接外部高速設(shè)備,。在這些應(yīng)用中，往往外部提供高速的串行比特流,，然后轉(zhuǎn)換成FPGA內(nèi)并行低速的寬字節(jié)操作,。因此，要求在I/O結(jié)構(gòu)內(nèi)提供一個(gè)串行化器和解串行化器,。在7系列FPGA的每個(gè)I/O引腳中,，提供了8位IOSERDES原語,，它可以實(shí)現(xiàn)串行-并行或并行-串行之間的轉(zhuǎn)換。

　　注：

　　7系列內(nèi)用于精確實(shí)現(xiàn)ISERDES的原語是ISERDESE2,，精確實(shí)現(xiàn)OSERDES的是OSERDESE2,。

　　1.9 吉比特收發(fā)器

　　在7系列FPGA內(nèi)，提供吉比特收發(fā)器,，其重要特性包括：

　?。?）高性能的收發(fā)器，其速率最高可以達(dá)到6.6Gb/s（GTP）,、12.5Gb/s（GTX）,、13.1Gb/s（GTH）和28.05Gb/s（GTZ）。

　?。?）優(yōu)化的低功耗模式,，用于芯片到芯片的接口。

　?。?）高級的預(yù)發(fā)送和后加重、接收器線性CTLE以及判決反饋均衡（Decision Feedback Equalization,，DFE）,，包括用于額外余量的自適應(yīng)均衡。

　　目前,，與光纖和PCB內(nèi)IC直接,、背板、長距離的超高速串行數(shù)據(jù)發(fā)送,，變得日益流行,，因此，要求專業(yè)的專用片上電路和差分I/O能應(yīng)對這些高數(shù)據(jù)率的信號完整性問題,。

　　注：Artix-7和Kintex-7系列內(nèi)提供了0?32個(gè)收發(fā)器電路,。Virtex-7系列提供最多96個(gè)收發(fā)器。

　　每個(gè)串行收發(fā)器是發(fā)送器和接收器的組合,。不同7系列的串行收發(fā)器使用了環(huán)形振蕩器以及LC諧振的組合,。每個(gè)收發(fā)器有大量用戶定義的特性和參數(shù)，它們可以在配置設(shè)備的時(shí)候進(jìn)行定義,，某些參數(shù)和特性甚至可以在操作的時(shí)候進(jìn)行修改,。

　　發(fā)送器是一個(gè)并行-串行的轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換率為16,、20,、32、40,、64或80,。此外，GTZ發(fā)送器支持最多160位的數(shù)據(jù)寬度。這些發(fā)送器的輸出使用差分輸岀信號驅(qū)動(dòng)PC板,。通過一個(gè)可選的FIFO以及額外的硬件,，輸人數(shù)據(jù)支持8B/10B、64B/66B和64B/67B編碼策略,。

　　接收器是一個(gè)串行-并行的轉(zhuǎn)換器,，它將接收到的位串行差分信號變成并行的字流，其寬度為16,、20,、32、40,、64或80位,。此外，GTZ接收器支持最多160位的數(shù)據(jù)寬度,。接收器將接收的差分?jǐn)?shù)據(jù)流送到FPGA內(nèi)可編程的線性和判決反饋均衡器,，使用參考時(shí)鐘來初始化時(shí)鐘識別。數(shù)據(jù)模式使用NRZ編碼,。

　　1.11 XADC模塊

　　在“數(shù)字化革命”時(shí)代,，模擬技術(shù)的需求依然強(qiáng)勁。嚴(yán)格定義來說,，常用于測量真實(shí)世界信息的大多數(shù)傳感器都是模擬電路,。電壓、電流,、溫度,、壓力、流量和重力等均屬于連續(xù)的時(shí)域信號,。由于數(shù)字技術(shù)具有高度的精確性和可重復(fù)性,，它常用于監(jiān)控和控制這些模擬信號。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（包含ADC DAC和模擬多路復(fù)用器）,，為數(shù)字世界和模擬世界架起了至關(guān)重要的橋梁,。

　　隨著模擬傳感器市場和數(shù)字控制系統(tǒng)市場的不斷發(fā)展，對連接模擬世界和數(shù)字世界的需求持續(xù)增長,。推動(dòng)模擬混合信號技術(shù)市場發(fā)展的因素包括智能電網(wǎng)技術(shù),、觸摸屏、工業(yè)控制安全系統(tǒng),、高可用性系統(tǒng),、先進(jìn)馬達(dá)控制器，以及對各種設(shè)備更高安全性的需求,。

　　2005年,，隨著Virtex-5系列FPGA的推出,，Xilinx意識到有必要集成名字為System Monitor的子系統(tǒng)以支持模擬混合信號功能。通過System Monitor子系統(tǒng),，設(shè)計(jì)人員可實(shí)現(xiàn)對FPGA關(guān)鍵性指標(biāo)和外部環(huán)境的監(jiān)控,。

　　在經(jīng)歷兩代FPGA產(chǎn)品之后，Xilinx進(jìn)一步強(qiáng)化了這方面的工作,，推出了具備模擬混合信號功能的Artix-7,、Kintex-7和Virtex-7 FPGA以及Zynq-7000 SoC通過在7系列FPGA內(nèi)集成兩個(gè)獨(dú)立通用1MHz釆樣率的12位分辨率ADC。顯著增強(qiáng)了嵌入式模擬子系統(tǒng)的功能,。該功能強(qiáng)大的模擬子系統(tǒng)與高度靈活,、功能強(qiáng)勁的FPGA邏輯緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了高度可編程混合信號平臺—靈活混合信號解決方案,。

　　需要注意是,，Xilinx的FPGA也在向混合信號處理方向發(fā)展。與Xilinx前幾代FPGA系列產(chǎn)品相比,，采用28nm工藝的7系列FPGA擴(kuò)展了模擬子系統(tǒng)的功能,。在7系列FPGA中，將模擬子系統(tǒng)命名為XADC,。在XADC中,，包含兩路獨(dú)立的12位1MHz采樣率模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）以及一個(gè)17通道模擬多路復(fù)用器。這種將模擬系統(tǒng)與可編程邏輯結(jié)合的全新技術(shù)被XIlinx稱為靈活混合信號處理（AMS）技術(shù),。

　　7系列XADC模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu),，如圖2.33所示,。該ADC（XADC）子系統(tǒng)包括：

　?。?）17個(gè)支持單極性和雙極性模擬輸入信號的差分模擬輸入通道。

　?。?）可選擇片上或者外部參考電源,。

　　（3）提供片上電壓和溫度傳感器,。

　?。?）采樣序列控制器。

　?。?）片上傳感器的可配置閾值邏輯及相關(guān)告警功能,。

　　其中，控制和狀態(tài)寄存器為數(shù)字可編程邏輯提供了無縫接口,。

　　XADC提供兩種類型的接口：JTAG接口和XADC FPGA接口,。

　　XADC的一項(xiàng)獨(dú)特功能就是能夠通過JTAG端口直接訪問，因此無需占用FPGA資源源,。也不必配置FPGA JTAG訪問同時(shí)支持?jǐn)?shù)據(jù)和控制,，可以讓JTAG提供另一級功能和系統(tǒng)健康狀況監(jiān)控,。負(fù)責(zé)控制JTAG總線的中央處理器能夠采集遠(yuǎn)程的功率、溫度和其他模擬數(shù)據(jù),，然后執(zhí)行系統(tǒng)范圍內(nèi)的系統(tǒng)監(jiān)控,。對高可靠性系統(tǒng)，靈活混合信號提供了一種監(jiān)控系統(tǒng),、控制冗余硬件和報(bào)告需求的低成本途徑,。Vivado提供的分析器為訪問片上傳感器 的信息以及通過JTAG配置XADC.提供了便利的訪問途徑。

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