FPGA笔记 Altera Cyclone系列FPGA资源介绍

FPGA和单片机一样，是一颗芯片，既然是芯片，就有一些内部资源。 Altera的FPGA最基本的资源是LE，通过查看Cyclone系列FPGA手册可以看到，一个LE主要包括了一个四输入查找表，也就是LUT，LUT本质上就是一个RAM。目前Cyclone系列使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16x1的RAM。当用户用程序描述了一个逻辑电路以后，FPGA开发工具会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。除了一个四输入查找表以外，还有一个可编程寄存器，至于为什么说可编程，是因为可以通过程序来配置为异步或者同步触发器，具体的结构可以看Cyclone系列的芯片手册。我们通常看Altera的FPGA资源大小，就是看他有多少个LE。

Cyclone系列芯片里面16个LE组成一个LAB，而每个LAB都有LAB控制信号，按照顺序排列在FPGA内部，每个LAB内部之间的LE数据通信通过Register chain传输，每个LAB之间的通过行或者列互联信号通信，相连的LAB，或者LAB周围的RAM，乘法器，PLL都可以通过互联线号驱动其周围的LAB。

Cyclone系列的FPGA有内部的RAM，起初Cyclone和CycloneII系列的RAM采用的M4K，也就是说一个RAM块有4K个位，如果包括校验位，那么有4608位，可以配置为不同模式不同位宽的RAM或者ROM，而CycloneIII和CycloneIV系列的FPGA的RAM采用M9K，也就是每一块有9K数据，其实只有8192位，加上校验位的话为9216位，所以，一个M9K可以配置的RAM最大数据宽度为8192，当然，不管M4K还是M9K，都可以配置为不同模式的RAM或者ROM。这里的ROM数据，实际上是最后写到编译后的文件SOF文件或者POF文件里面去的，如果只是要修改ROM数据，可以通过指令直接修改SOF文件或者POF文件。而不需要再重新编译。

Cyclone系列FPGA还有硬件乘法器，18*18的乘法器，可以配置为2个9*9的乘法器 ，当数据宽度大于18时候，采用多个乘法器合并实现，我们在VHDL或者Verilog里面的乘号，Altera的在FPGA软件综合自动采用乘法器替代。

除此之外，Cyclone系列FPGA还有内部PLL，在CycloneIV之前的Cyclone系列的PLL,基本上都是通用的PLL，也就是说，可以对时钟进行倍频、分频或者移相，也可以将PLL时钟输出到专用的PLL输出管脚上，通常SDRAM的时钟都是由这些专用时钟驱动，但是注意，输入时钟是有范围的，具体可以见手册。而CycloneIV的GX系列FPGA内部集成收发器，每个收发器都有专用的PLL。从CycloneIII开始内部的PLL支持实时动态重配，具体的动态重配方法可以通过Altera的ALTPLL_RECONFIG核来实现。

值得注意的是，FPGA时钟是至关重要的，时钟的好坏直接关系到系统的稳定，可以打个比方，电源如一个系统的血液，时钟就是一个心脏。所以，无论是Altera还是Xilinx，都会在FPGA设计上面重点提到全局时钟等概念。

除了以上资源外，还有就是IO口资源，FPGA的IO口资源相当丰富，FPGA的IO可以根据REF电平不同接收或输出不同的电平标准的信号，如3.3V LVTTL，如2.5V的LVDS，LVPECL或者SSTL-2等，并且可以通过程序来设置驱动电流强弱，片内OTC，差分匹配，DDR输出等，CyclonreIII以及CycloneIV还支持片内上拉电阻，输入输出延时等。CycloneIV
GX系列还带有高速收发器，PCIe硬核等。

另外，CycloneIII后的系列增加了一个在线重配模块SEU，这样，可以在线将配置程序少烧写到FPGA的配置芯片剩余的地方，FPGA自动通过该模块判断是否是可用程序以，如果是，FPGA可以用该模块将旧程序替换为新程序自己升级自己。类似于ARM德IAP。

以上就是Cyclone系列FPGA的一些基本资源，对于Stratix系列的FPGA，内部的资源相对于Cyclone系列的要更加丰富，功能更加强大，比如，逻辑资源不再是LE，二是ALM，不再是乘法器，而是DSP模块等，具体可以参看具体的芯片手册。