从Xilinx Kintex-7认识FPGA

作者:lee神,FPGA开源工作室

1. xilinx FPGA简介

FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

Xilinx公司是FPGA的发明者,于1985年首次推出商业化FPGA,现如今也是FPGA市场占有率最大的公司之一。Xilinx公司的FPGA产品种类众多,其中7系列FPGA产品于2010年发布,该系列FPGA采用了更为新进的28nm工艺,内部逻辑资源相比之前的FPGA有了大大的提升,器件功耗相比之前的FPGA都已经大大降低。ISE和VIVADO软件都支持7系列FPGA的开发。从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采用了堆叠硅片互联(stacked silicon interconnect, SSI)技术,进一步提升了FPGA的容量和集成度。

2 kintex-7 FPGA简介

2.1 kintex-7简介

Kintex-7系列是一种新型Xilinx FPGA,能以不到 Virtex-6 系列一半的价格实现与其相当性能,性价比提高一倍,功耗降低一半。该系列不仅可提供诸如大批量 10G 光学有线通信设备等各种应用所需的高性能 10.3Gbps 或低成本优化的 6.5Gbps 串行连接性、存储器和逻辑性能,而且还实现了信号处理性能、功耗和成本的最佳平衡,能支持长期演进 (LTE) 无线网络部署,满足新一代高清 3D 平板显示器严格的功耗和成本要求,并提供新一代广播视频点播系统所需的性能和带宽。

2.2 kintex-7命名规则


XC ---- 赛灵思公司(xilinxcommercial)
7 ---- 代 (generation)
K ---- 家族 (Family)例如:kintex
### ---- 逻辑(LUT)容量(logic cells in 1k units)
-1 ---- 速度等级 (Speedgrade -1 slowest –l2 low power -2 mid)
FF ---- 封装类型 (packageType FF Flip-chip)
900 ---- 管脚数目 (nominalpackage pin count)
C ---- 温度等级 (temperature grade)

2.3 kintex-7系列FPGA

这是整个Kintex-7系列FPGA的内部逻辑资源的简要明细表,我们在选用FPGA芯片时,可以作为参考。

3 FPGA内部结构资源

3.1传统FPGA内部结构

传统FPGA内部结构图

传统FPGA内部结构图

传统FPGA内部资源主要由IOB,CLB,BRAM以及丰富的内部布线等组成。具体的含义将在3.2节讲解。

3.2Kintex-7FPGA内部结构

Kintex-7 FPGA内部结构图

Kintex-7 FPGA内部结构图

Kintex-7 FPGA的内部结构相比传统FPGA的内部结构嵌入了DSP48E1,PCIE,GTX,XADC,高速IO口等单元,大大提升了FPGA的性能。下面将从各个模块一一介绍。

1.普通可编程IOB

IOB

IOB

可编程I/O,可配置成三态门、双向IO、单端/差分等;支持各种不同的I/O标准:LVTTL、LVCOMS、SSTL、LVDS、HSTL、PCI等。

2.逻辑单元CLB

Kintex-7 内部CLB结构

Kintex-7 内部CLB结构

CLB(configurable logic block)可配置逻辑单元由LUT(look up table),MUX(多路选择器),carry(进位器),FF(触发器)组成。有图可知,1个CLB由两个SLICE组成,1个SLICE由4个5输入LUT,3个MUX,1个CARRY和8个FF组成,CLB是FPGA的精华所在,也是FPGA容量的主要代表。

3.IOLOGIC

IOLOGIC由ILOGIC,OLOGIC,IDELAY以及ODELAY组成。

4. BRAM

BRAM (block RAM)嵌入式块RAM可配置单/双端口RAM、伪双端口RAM、ROM、FIFO、SHIFT等;

FPGA内嵌RAM在FPGA项目开发中起着相当关键的作用,其中FIFO,shift-ram,rom等数据缓冲区均可用RAM设计,它和可以与FPGA内部的SRAM联合使用。

5.DSP48E1

FPGA对于数字信号处理(DSP)应用是有效的,因为它们可以实现自定义完全并行算法。dsp应用程序使用许多二进制文件在专用DSP片中最好实现的乘法器和累加器。所有7系列FPGA有很多专用的、全定制的、低功耗的DSP片,结合起来很高。小尺寸的速度,同时保持系统设计的灵活性。DSP片增强了数字信号处理以外的许多应用的速度和效率,如宽动态总线移位器、存储器地址产生器、宽总线多路复用器和内存映射I/O寄存器。

7 系列FPGA内嵌DSP的亮点功能:

•25×18二进制补码乘法器:

动态旁路;

•48位累加器:

可以用作同步上/下计数器;

•节电前置加法器;

优化对称滤波器应用,降低DSP片要求;

•单指令多数据(SIMD)运算单元:

双24位或四位12位加/减/累加;

•可选的逻辑单元:

可以生成两个操作数的十个不同的逻辑函数中的任意一个;

•模式检测器:

收敛或对称四舍五入;

96 -bit- wide逻辑函数,与逻辑单元一起使用;

•高级功能:

可选的流水线操作与总线进行级联。

6.GTX

GTX吉比特收发器,是FPGA内部嵌入的高速收发器。由图可知GTX大体由PCS和PMA组成。

GTX收发器支持这些使用模式:

• 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)

•串行数字接口(Serial Digital Interface, SDI)

• SFF-8431 (SFP+)

7.PCIE

FPGA内嵌PCIE硬核有PCIE的数据链路层以及物理层组成,物理层又可分为逻辑物理子层和电气物理子层。

PCI Express(PCIe)是一种通用的串行互连,也可以用于通信、数据中心、嵌入式、测试与测量、军事和桌面应用程序。它还可以作为外围设备互连、片对片接口和桥接其他许多协议标准。

Xilinx提供了高性能和低功耗集成硬块PCIe嵌入在Xilinx公司的所有可编程器件无需支付额外费用。

文章来源 : FPGA开源工作室

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