FPGA基本原理和内部结构

一、FPGA原理

FPGA中的基本逻辑单元是CLB模块，一个CLB模块一般包含若干个基本的查找表、寄存器和多路选择器资源，因此FPGA中的逻辑表达式基于LUT的。

FPGA内部的编程信息一般存储在SRAM单元中，因此通常的FPGA都是基于SRAM的，所以掉电后信息会丢失，下次上电需要先配置才能使用。

着重介绍Xilinx FPGA，

二、FPGA产品的速度等级

速度等级一般反映一款芯片的性能，速度等级越高，说明芯片内的逻辑延时和布线延时越小，设计的性能要求也越容易达到，随之付出的成本也越大。

对Xilinx FPGA，速度等级一般有“-1”、“-2”、“-3”等，数字越大，速度等级越高，芯片价钱也越贵。

对Intel FPGA，速度等级一般有“-6”、“-7”、“-8”，数字越小表示速度等级越高、价钱越贵。

三、FPGA内部资源

逻辑资源块是FPGA内部最重要的资源，Xilinx称其为CLB（configurable logic block）;

7系列中，FPGA内部三大主要资源：可编程逻辑单元、可编程I/O单元、布线资源

1、可配置逻辑单元（configurable logic block）

CLB在FPGA中最为丰富，由两个SLICE构成，SLICE分为SLICEL（L:Logic）和SLICEM（M:Memory），因此CLB可分为CLBLL和CLBLM两类；

SLICEL和SLICEM内部都包含4个6输入查找表（LUT6）、3个数据选择器（MUX）、1个进位链（carry chain）和8个触发器（Flip-Flop）；

2、存储单元（Block RAM）

Block RAM可以被配置为同步、异步、单端口、双端口的RAM或FIFO，或者ROM;

3、运算单元（DSP48E1）

当FPGA需要复杂的运算时，会使用DSP48E1，例如乘法；

什么是STM32？

意法半导体（ST）集团于1988年6月成立，是由意大利的SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并而成。1998年5月，SGS-THOMSON Microelectronics将公司名称改为意法半导体有限公司，是世界最大的半导体公司之一。 STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex®-M0，M0+，M3， M4和M7内核（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）。

它具有以下三个特点：

•新的基于ARM内核的32位MCU系列

–标准的ARM架构 –内核为ARM公司为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的Cortex-M内核

•超前的体系结构

–高性能 –低电压 –低功耗 –创新的内核以及外设

•简单易用/自由/低风险

Cortex-M3系列属于ARMv7架构

ARMv7架构定义了三大分工明确的系列：

“A”系列：面向尖端的基于虚拟内存的操作系统和用户应用

“R”系列：针对实时系统；

“M”系列：对微控制器。

STM32F1属于Cortex-M系列中的Cortex-M3内核，采用ARMv7-M架构。STM32F4属于Cortex-M4系列采用ARMv7-ME架构。Cortex-A5/A8采用ARMv7-A架构。传统的ARM7系列采用的是ARMv4T架构。

那么STM32与ARM有什么区别呢？

Cortex-M家族

STM32和ARM有什么区别

STM32的命名规则

STM32的应用场景

STM32的应用场景还有很多，这里只是简单地列出一些。

总的来说STM32具有如下优势：

1）极高的性能：主流的Cortex内核。

2）丰富合理的外设，合理的功耗，合理的价格。

3）强大的软件支持：丰富的软件包。

4）全面丰富的技术文档。

5）芯片型号种类多，覆盖面广。

6）强大的用户基础：最先成功试水CM3芯片的公司，积累了大批的用户群体，为其领先做铺垫。

stm32与fpga的优缺点

一个属于单片机STM32 ，一个属于可编程阵列FPGA。

STM32由于有各种外设操作起来简单，可以处理模拟以及数字信号，适用于设计的控制电路FPGA应用也比较广泛，只能处理数字信号，但是能同时运行多条指令，也就是并行执行，这是单片机、ARM等比不了的，主要用于处理各种逻辑。

STM32代表ARM Cortex-M内核的32位微控制器，具有高性能，实时性强，低功耗，便于低电压操作等优点，同时还易于开发。

按内核架构分，有STM32F103“增强型”系、STM32F101“基本型”系列、STM32F105、STM32F107“互联型”系列。其中增强型系列时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最高的产品；基本型时钟频率为36MHz，以16位产品的价格得到比16位产品大幅提升的性能，是32位产品用户的最佳选择。两个系列都内置32K到128K的闪存，不同的是 SRAM的最大容量和外设接口的组合。时钟频率72MHz时，从闪存执行代码，STM32功耗36mA，是32位市场上功耗最低的产品，相当于0.5mA/MHz。

FPGA是英文Field－Programmable Gate Array的缩写，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。FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。

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