上次博文簡要介紹了人們研究使用FPGA來進行工業(yè)控制的驅(qū)動力與FPGA器件與工具的介紹，本次介紹FPGA設計方法論中的FPGA體系及其開發(fā)工具介紹。

1. FPGA一般體系結(jié)構(gòu)的描述

正如FPGA被定義為一個可配置邏輯塊（CLB）矩陣，各CLB由互連網(wǎng)絡相互關(guān)聯(lián)，且這些模塊全部是完全可編程的。存儲單元的邏輯控制塊以及它們之間的連接允許該組件可以滿足特定的應用需要。此外，需要靈活的、可再編程的技術(shù)對其進行配置，如FLASH、EPROM、SRAM等，這使得FPGA可以像微處理器具有一樣的靈活性。因此，本博文的其余部分將只討論迄今為止應用最廣泛的基于SRAM的FPGA技術(shù)。（基于閃存的FPGA技術(shù)，雖然不具備詞綜靈活性，但是一些工作環(huán)境惡劣的應用中，如航空航天事業(yè)對此有很大的興趣）。圖 1為基于SRAM為基礎FPGA 的一般結(jié)構(gòu)（）。

最近賽靈思賽靈思已經(jīng)采用 28 納米高性能低功耗工藝加速平臺開發(fā)，推進可編程勢在必行（）。不過，重要的是要知道這樣的信息只在短期內(nèi)是有效的，因為技術(shù)在繼續(xù)向前邁進。兩家主要的FPGA生產(chǎn)廠商是Xilinx公司和Altera公司。
最近，在FPGA的結(jié)構(gòu)內(nèi)部開始引進一些專用模塊如RAM，DSP加速器（帶有累加器的乘法器，高速時鐘管理電路，以及串行收發(fā)器等），嵌入式硬處理核如PowerPC處理器、ARM處理器，軟處理器內(nèi)核如Microblaze軟核。此外，在控制應用中非常有趣的是Actel公司將模數(shù)轉(zhuǎn)換集成電路其融合到其FPGA中。盡管這種SoC并沒有取代前者的一般結(jié)構(gòu)，但它可以作為原有矩陣塊結(jié)構(gòu)的補充。
1）可配置邏輯塊（CLBs）：其結(jié)構(gòu)包括2個、4個或更多的邏輯單元（也稱為邏輯元件）。一個邏輯單元結(jié)構(gòu)如圖2所示，它是Xilinx FPGA的基本邏輯單元。

它由4位查找表（LUT），它可以被配置為一個16 × 1的ROM或RAM，或組合的功能。若要建立有效的算術(shù)運算符，應包含帶超前進位的數(shù)據(jù)路徑。此外，可以使用帶有各種輸入（同步或異步，置位/復位，使能）的D觸發(fā)器控制輸出邏輯單元。這種結(jié)構(gòu)符合微觀狀態(tài)機的概念，因為輸出可以配置作為同一邏輯單元的輸入。
B、HDL和FPGA
FPGA發(fā)展的初期僅僅用來進行邏輯集成，并且可以用簡單的CAD工具對其進行描述；而這在可編程器件出現(xiàn)之前通常由TTL基本邏輯電路來完成。如今， FPGA正用于實現(xiàn)越來越復雜的功能。例如，單個FPGA便可實現(xiàn)一個完整的數(shù)字系統(tǒng)，因為其內(nèi)部往往包含算術(shù)邏輯單元（ALU）、存儲器、通信單位等許多單元。
這一演變能夠在超大規(guī)模集成電路的最新進展中找到起源，但它也和某些設計工具和設計方法的發(fā)展有關(guān)，這些盡管工具一開始是為ASICs設計而提出的。這些工具大多是基于如VHDL或Verilog HDL之上的。IEEE標準的存在使得HDLs語言得到推廣，同時使高性能CAD工具在微電子領域得到創(chuàng)造和發(fā)展。因此，設計者可以利用HDLs語言通過不同層次的抽象分層和模塊化的設計方法，使用“自上而下”的理念，設計原創(chuàng)的電路結(jié)構(gòu)。相應的設計流程分為以下四個步驟：
1）系統(tǒng)級，指出電路的特性；
2）行為層，由對電路的算法描述組成；
3）寄存器傳輸級（RTL），按組成電路結(jié)構(gòu)的組件進行描述；
4）物理層，考慮到實際目標硬件的特征形成描述。
在每一個抽象層次，未知的集成電路都是依靠HDL語言來描述的，如行為VHDL或綜合VHDL。最后將準確還原最終電路的操作符和變量。
為了仿真和驗證數(shù)字電路的功能，需要寫入和執(zhí)行各種測試文件。此外，由于各種模擬HDLs的出現(xiàn)，如Spectre HDL、VHDL - A和的VHDL - AMS，也可以在模擬每個抽象層次電路功能的同時考慮到其實際的環(huán)境。另一個可行的方法是在整個開發(fā)過程中使用唯一的描述語言。這將在下一篇博文中進行詳細講述。圖3描述了自上而下的分層設計方法和HDL開發(fā)環(huán)境。

最近，F(xiàn)PGA的廠商已經(jīng)設計出套件軟件，使其既能進行模擬仿真，也可自動綜合成設計代碼。例如，Xilinx的ISE設計套件中的system generator即可完成此功能。（可以參考）
仿真結(jié)果是“準確的位和時序周期”，這意味著在一個完全匹配Simulink仿真環(huán)境里面可以看到硬件執(zhí)行的結(jié)果。這種做法提供了一個基于FPGA的快速原型設計平臺。在這之前，自動代碼生成的概念已被成功應用在DSP處理器中（例如Maltab的Target Support Package中的Texas Instruments模塊就可以產(chǎn)生C2000上用于整個電機控制的復雜的多閉環(huán)控制算法，并集成AD轉(zhuǎn)換，PWM產(chǎn)生，脈沖編碼單元、捕獲單元、串行接口、CAN等各種接口）。毫無疑問，這種解決方案在不久的將來會越來越多地應用在新的控制算法評估中。然而到目前為止，這種方法仍僅限于不含復雜時序的設計的中。事實上，因為由此產(chǎn)生的設計硬件結(jié)構(gòu)不是面積最優(yōu)化，故在實際工業(yè)上這是不被廣泛接受的。
最后，附上IEEE中所有關(guān)于HDL、ASIC設計的標準（參考?queryText=(HDL)&refinements=4294965399&openedRefinements=*&matchBoolean=true&rowsPerPage=100&searchField=Search All Text&sortType=asc_Publication Year&pageNumber=1&resultAction=SORT）。