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FPGA工作原理及核心模块结构应用

2014-5-20 23:06| 发布者: dzly| 查看: 474| 评论: 0|原作者: 高海莺

摘要: FPGA是基于PAL、GAL、CPLD等开发出来的新技术,常作为专用集成电路控制的分电路。文章首先介绍了FPGA 工作原理,在此基础上探讨了FPGA核心模块的结构与应用功能以及FPGA技术在行业中的应用,希望对后续研究有所 帮助。

  1 FPGA 工作原理
  FPGA是基于PAL、GAL、CPLD等开发出来的新技术,常作为专用集成电路控制的分电路,如图1,在原有可编程控制器中进行了优化调整。FPGA 工作原理:FPGA 采用了逻辑单元阵列这样一个概念,内部包括可配置逻辑模块、输出输入模块和内部连线三个部分。FPGA 利用小型查找表(16Χ1RAM)来实现组合逻辑,每个查找表连接到一个D触发器的输入端,触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O,由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块。

  2 FPGA 核心模块的结构与应用功能
  电子科技已经成为工业科技的重要组成部分,利用电子信息技术创建多功能电子控制系统,满足了各种电子设备回路控制的要求。工业生产科技自动化改造之后,以微电子技术为中心的专用集成电路得到推广,这是一种针对客户具体要求设计的电路系统。早期使用定制电路的灵活性不足,降低了电子信号输送的工作效率。FPGA 在专用集成电路里以半定制形式存在,改变了旧式可编程器件门电路的功能缺陷。
  鉴于上述对FPGA 原理的分析,其核心模块及功能如下:(1)IOB 模块。可编程输入输出单元(IOB)是现场可编程门阵列的基本构造,输入/输出(I/O)模块负责了FPGA数据信号收录、传输的作业要求。从结构层次划分来说,IOB模块是芯片与外界电路的接口部分,完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动与匹配要求。电子电路是传递电信号的流通载体,将其用于具体操控系统时需处理大量复杂的信息,这就要求选择对口的I/O单元。I/O接口由多个单元组成,按照电路的相位、电阻、元控件等指标,严格控制门电路的运作流程。
  (2)CLB 模块。逻辑处理是FPGA中处理数据的有序流程,按照电路信号编码程序的规则对门电路进行优化编程。可配置逻辑块(CLB)的实际数量和特性会依器件的不同而不同,但是每个CLB 都包含一个可配置开关矩阵,此矩阵由4或6个输入、一些选型电路和触发器组成,如图2。例如,CLB 模块添加多路复用器,根据集成电路结构布局的特点,实现最佳的逻辑组合方案,从时间顺序、空间顺序等双方面展开逻辑分析。
  从实际应用情况判断,CLB模块的灵敏性强,适应了复杂电路的数据使用要求。
  图2 CLB 模块
  (3)DCM 模块。FPGA 的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的,业内大多数FPGA 均提供数字时钟管理。推出最先进的FPGA提供数字时钟管理和相位环路锁定,相位环路锁定能够提供精确的时钟综合,并实现过滤功能。设计数字时钟管理模块(DCM)的主要作用,对门电路各程序指令分布给予规划,限定了数据信号传输的标准位置,避免数据冗杂而降低了电子系统控制的效率。另外,数字时钟管理也是对门电路运行时间的精确控制,防止信号延迟而造成电子仪器的误动作。
  (4)BRAM 模块。专用集成电路是服务于各个行业控制的应用型电路,FPGA在结构模块布局方面也要适应实际操作功能的要求,对嵌入式块RAM(BRAM)采取必要的设置处理。一般情况下,FPGA均配备了专用的内嵌式随机存储器(RAM),针对数据端口传输的位置、存储结构、元件功能等要素,提供一个最稳定的逻辑存储方式。以内存储操作为例,FPGA 搜索到某个触发器时,必须要准确地感应电路中属于动态或静态存储方式,再由BRAM辅助最可靠的存储器作为电路信号收录装置。
  3 FPGA 技术在行业中的应用
  现场可编程门阵列是根据实际工作要求拟定的电路模式,并且在诸多控制元件的辅助控制,发挥出了比较专业、统一、完整的电路使用功能。伴随着电子信息技术的深入研究,许多行业已经根据生产或经营管理的需求,设计出了符合本行业应用的FPGA 调控方案。基于上述对FPGA 工作原理及核心模块的分析,现从工业设计、生产控制等方面进行探讨。
  (1)工业设计。FPGA 用于工业研发与设计,主要是针对工业产品而言,这样更加显现出可编程门阵列在半定制电路中的实用性。选用FPGA 辅助产品设计,其关键在于对产品功能、产品工艺的定位模拟,重新检验产品设计方案是否符合现有的生产条件。由于FPGA 技术具有数据端口、IP 网络、CPU、信号接口等全面的软硬件部分,可广泛利用于移动通信、网络视频、信息制作等行业。
  (2)生产控制。分析FPGA 在工业生产控制中的应用,可以以计算机控制系统作为对比,将单一计算机控制与添加FPGA 技术辅助控制的两种方案全面比较。早前工业生产系统选用计算机为主控平台,完全依赖于软硬件系统功能的发挥,帮助计算机解决产品加工数据的运算、处理、传输、存储等问题。新时期FPGA 与计算机技术相结合,彻底优化了设备驱动程度的执行流程。例如,联合系统支持多种不同的外围设备、数据接口,扩大了数据处理的范围。
  参考文献:
  [1] 王广丰,赵东标.基于ARM处理器的嵌入式数控系统[J].机械与电子,2007(2)
  [2] 田家林,陈利学,寇向辉.FPGA在运动控制系统中的设计[J].微计算机信息, 2007(8)
  [3] 田家林,陈利学,寇向辉.FPGA在运动控制系统中的设计[J].制造技术与机床,2007(4)
  
  

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