FPGA芯片拆解

现场可编程门阵列（FPGA）可以实现任意数字逻辑，从微处理器到视频生成器或加密矿机，一应俱全。FPGA由许多逻辑模块组成，每个逻辑模块通常由触发器和逻辑功能以及连接逻辑模块的路由网络组成。FPGA 的特殊之处在于它是可编程的硬件：您可以重新定义每个逻辑块及其之间的连接，用来构建复杂的数字电路，而无需物理上连接各个门和触发器，也不必花费设计专用集成电路的费用。




FPGA 是由 Ross Freeman 发明的，他在 1984 年共同创立了 Xilinx，并推出了第一款FPGA--XC2064。这种 FPGA 比现代 FPGA 简单得多,它只包含 64 个逻辑块，而现代 FPGA 中的逻辑块有几千个或数百万个，但它导致了目前价值数十亿美元的 FPGA 产业。由于其重要性，XC2064 被列入芯片名人堂。在这篇博文中，我们对 Xilinx 的 XC2064 进行了逆向工程，解释了它的内部电路（上图）以及 "比特流 "是如何对它进行编程的。



如今，FPGA 是采用 Verilog 或 VHDL 之类的硬件描述语言编程的，但是当时 Xilinx 提供了他们自己的开发软件 XACT，运行再 MS-DOS 操作系统之下，价格高达 12,000 美元。XACT 自然无法与现在的 FPGA 开发工具相比，XACT 通过用户定义了每个逻辑块的功能（如下面的屏截图所示）以及逻辑块之间的连接，对连接进行布线连接，并生成可加载到 FPGA 中的比特流文件。



XACT 的屏幕截图。两个查找表 F 和 G 在屏幕底部实现逻辑运算，上面部分显示该逻辑的卡诺图。

通过位流（具有专有格式的位序列）配置 FPGA。如果您查看 XC2064 的比特流（如下所示），那是令人费解的混合模式，这些模式不规则地重复，并散布在比特流中。XACT 中的功能定义与位流中的数据之间没有明确的联系。但是，研究 FPGA 的物理电路可以揭示比特流数据的结构，并且可以理解。

通过位流（具有专有格式的位序列）配置 FPGA。如果您查看 XC2064 的比特流（如下所示），那是令人费解的混合模式，这些模式不规则地重复，并散布在比特流中。XACT 中的函数定义与位流中的数据之间没有明确的联系。但是，研究 FPGA 的物理电路可以揭示比特流数据的结构，并且可以理解。



1、FPGA 如何工作？
下图来自原始 FPGA 专利，显示了 FPGA 的基本结构。在此简化的 FPGA 中，有 9 个逻辑块（蓝色）和 12 个 I/O 引脚。互连网络将组件连接在一起。通过设置互连上的开关（对角线），逻辑块相互连接并连接到 I/O 引脚。每个逻辑元素都可以使用所需的逻辑功能进行编程。其结果是一个高度可编程的芯片，可以实现任何适合可用的电路。



2、CLB：可配置逻辑块
虽然上图显示了九个可配置逻辑块（CLB），但 XC2064 有 64 个CLB。下图显示了每个 CLB的结构。每个 CLB 有四个输入（A、B、C、D）和两个输出（X 和 Y）。两者之间是组合逻辑，可以使用任何所需的逻辑功能进行编程。CLB 还包含一个触发器，允许 FPGA 实现计数器、移位寄存器、状态机和其他有状态电路。梯形是多路复用器，可以编程通过其任何输入。多路复用器允许为特定任务配置 CLB，为触发器控件和输出选择所需的信号。




您可能想知道组合逻辑如何实现任意逻辑功能。它会采用与门、或门、异或门等逻辑吗？不，它使用一种称为查找表（LUT）的巧妙技巧，实际上它包含的是逻辑功能的真值表。例如，三个变量的功能由其真值表中的 8 行定义。LUT 由 8 位内存以及多路复用电路组成，以选择正确的值。通过将值存储在这 8 位内存中，可以实现任何 3 输入逻辑功能。

3、互连
FPGA 的第二个关键部分是互连，可以对其进行编程以不同方式连接 CLB。互连相当复杂，但是粗略的描述是每个 CLB 之间有几个水平和垂直线段。CLB 互连点允许在水平线和垂直线之间建立连接，从而可以创建任意路径。更复杂的连接通过“交换矩阵”（switchmatrices）完成。每个开关矩阵都有 8 个引脚，可以（几乎）任意方式将它们连接在一起。下图显示了 XC2064 的互连结构，提供了到逻辑块（青色）和 I / O 引脚（黄色）的连接。该图显示了路由功能的特写。绿色框是 8 针开关矩阵，而小方块是可编程的互连点。




每个 CLB 都有从 AA 到 HH 的字母名称。互连可以将例如块 DC 的输出连接到块 DE 的输入，如下所示。红线表示路由路径，红色小方块表示已激活的路由点。离开模块 DC 后，信号由第一个路由点定向到 8 针开关（绿色），该信号将其引导到另外两个路由点和另一个 8 针开关。（未显示未使用的垂直和水平路径。）请注意，布线相当复杂；即使是这条短路径，也使用了四个路由点和两个开关。




下面的屏幕截图显示了 XACT 程序中的路由外观。黄线指示逻辑块之间的路由。随着信号的加入，挑战在于如何有效地路由而不使路径发生冲突。XACT 软件包执行自动路由，但也可以手动编辑路由。



4、Implementation
本文的其余部分讨论了 XC2064 的内部电路，从裸片照片中的反向工程。

下图显示了 XC2064 芯片的布局。FPGA 的主要部分是 8×8 的网格。每个图块包含一个逻辑块和相邻的路由电路。尽管图片显示将逻辑块（CLB）显示为与围绕它们的路由不同的实体，但这并不是  FPGA 的实现方式。取而代之的是，每个逻辑块和相邻路由都实现为单个实体，即图块。（具体来说，图块包括每个 CLB 上方和左侧的路由。）




I/O 模块围绕集成电路的边缘提供与外界的通信。它们连接到小的绿色方形焊盘，该焊盘连接到芯片的外部引脚。裸片被缓冲区（绿色）划分：两个垂直和两个水平。这些缓冲器可放大在电路中传播很长距离的信号，从而减少延迟。垂直移位寄存器（粉红色）和水平列选择电路（蓝色）用于将比特流加载到芯片中，如下所述。



5、Tile 的内部结构
下图显示了 XC2064 中单个 Tile 的布局；如上图所示，该芯片包含 64 个这样的 Tile 挤在一起。每个 Tile 约有 40%的面积被保存配置位的内存单元（绿色）所占据。顶部三分之一处通过两个交换矩阵和许多单独的路由交换处理互连路由，下面是逻辑块。逻辑块的关键部分是输入的多路复用器、触发器和查找表（LUT）。每个块通过垂直和水平布线连接到相邻的块，以实现互连，电源和接地。配置数据位被水平地馈送到存储单元，而垂直信号选择要加载的存储单元的特定列。

5、晶体管
FPGA 由 CMOS 逻辑实现，该逻辑由 NMOS 和 PMOS 晶体管构建。晶体管在 FPGA 中具有两个主要作用。首先，可以将它们组合以形成逻辑门。其次，晶体管被用作信号通过的开关，例如以控制路由。在此作用下，该晶体管称为传输晶体管。




下面的裸片照片特写显示了在显微镜下晶体管的外观。多晶硅栅极是两个掺杂硅区域之间的蛇形线。




6、比特流和配置存储
XC2064 中的配置信息存储在配置内存单元中。FPGA 的内存不是使用 RAM 块进行存储，而是分布在 160×71 网格中的芯片上，确保每个位都位于它控制电路旁边。下图显示了配置比特流如何加载到 FPGA 中。比特流被送入从芯片中心（粉红色）向下运行的移位寄存器中。将 71 位加载到移位寄存器中后，列选择电路（蓝色）将选择特定的内存列，并并行加载到此列中。然后，将接下来的 71 位加载到移位寄存器中，左侧的下一列将成为所选列。此过程将重复 FPGA 的所有 160 列，将整个比特流加载到芯片中。使用移位寄存器可避免大量内存寻址电路。




重要的是，比特流的分布与文件中的分布完全相同：比特流文件中的比特布局与芯片上的物理布局匹配。如下所示，每个位都存储在 FPGA 控制电路的旁边。因此，比特流文件格式直接由硬件电路的布局确定。例如，当由于缓冲电路而在 FPGA 切片之间存在间隙时，相同的间隙会出现在位流中。比特流的内容不是围绕字段，数据表或配置块之类的软件概念来设计的。了解比特流取决于从硬件角度而非软件角度进行思考。如下所示实现配置存储器的每一位。每个存储单元均包含两个以环路连接的反相器。该电路具有两个稳定状态，因此可以存储一个位：顶部反相器为 1，底部反相器为 0，反之亦然。为了写入该单元，左侧的传输晶体管被激活，使数据信号通过。数据线上的信号只会使逆变器过载，从而写入所需的位。（您也可以使用相同的路径从 FPGA 中读取配置数据。）Q 和反相 Q 输出控制 FPGA 中所需的功能，例如关闭路由连接，为查找表提供位，或控制锁存器电路。（在大多数情况下，仅使用 Q 输出。）




下图显示了存储单元的物理布局。左图显示了八个存储单元，其中一个单元高亮显示。每条水平数据线馈入该行中的所有存储单元。每列选择行选择该列中的所有存储单元以进行写入。中间照片放大了一个存储单元的硅和多晶硅晶体管。



7、查找表多路复用器
如前所述，FPGA 通过使用查找表来实现任意逻辑功能。下图显示了如何在 XC2064 中实现查找表。左侧的八个值存储在八个存储单元中。四个多路复用器根据 A 输入值选择每对值中的一个  。如果  A 为 0，则选择最高值；如果  A 为 1，则选择最低值。接下来，较大的多路复用器根据 B 和  选择四个值之一  C。在这种情况下，结果是所需的值  A XOR B XOR C。通过在查找表中放置不同的值，可以根据需要更改逻辑功能。




每个多路复用器都是通过晶体管来实现的。根据控制信号，其中一个传递晶体管被激活，将该输入传递到输出。下图显示了 LUT 电路的一部分，多路复用了其中的两个比特。右边是两个存储器单元。每一个比特都要经过一个反相器进行放大，然后经过中间的多路复用器的传递晶体管，选择其中的一个比特。




8、锁存器
每个 CLB 包含一个触发器，允许 FPGA 实现锁存器，状态机和其他有状态电路。下图显示了触发器的实现。它使用主 / 辅助设计。当时钟为低电平时，第一个多路复用器让数据进入主锁存器。当时钟变高时，多路复用器关闭第一个锁存器的环路，并保持该值。（该位通过“或”门，“与非”门和反相器两次反转，因此保持不变。）同时，当时钟变高时，辅助锁存器的多路复用器从第一个锁存器接收该位（请注意，时钟已反转）。该值成为触发器的输出。当时钟变低时，次级的多路复用器关闭环路，从而锁存该位。因此，触发器是边缘敏感的，在时钟的上升沿锁存该值。置位和复位线强制触发器为高电平或低电平。




9、8-pin 交换矩阵
交换矩阵是一个重要的路由元件。每个开关有八个"引脚"（每侧两个），几乎可以连接任意引脚组合在一起。这允许信号比单个路由节点更灵活地转动、拆分或交叉。下图显示了四个 CLB （cyan）之间的路由网络的一部分。交换矩阵（绿色）可与右侧连接的任意组合连接。请注意，每个引脚可以连接到其他 7 个引脚中的 5 个。例如，引脚 1 可以连接到引脚 3，但无法连接到引脚 2 或 4。这使得矩阵几乎是一个横栏，有 20 个潜在的连接，而不是 28 个。




开关矩阵由一排传输晶体管实现，该传输晶体管由上方和下方的存储单元控制。晶体管的两侧是可以通过该晶体管连接的两个开关矩阵引脚。因此，每个开关矩阵具有 20 个相关联的控制位。

每个图块两个矩阵产生每个图块 40 个控制位的矩阵。下图显示了其中一个存储单元，该存储单元连接到下面的传输晶体管的长弯曲栅极。该晶体管控制引脚 5 和引脚 1 之间的连接。



因此，与该存储单元相对应的位流中的位控制引脚 5 和引脚 1 之间的开关连接。同样，其他存储单元及其相关晶体管控制其他开关连接。请注意，这些连接的顺序不遵循特定的模式。因此，位流位和开关引脚之间的映射是随机的。

10、输入路由
CLB 的输入在位流中使用不同的编码方案，这由硬件实现方式解释。在下图中，八个圆圈的节点是 CLB 框 DD 的潜在输入。



最多只能将一个节点配置为输入，因为将两个信号连接到同一输入将使它们短路。使用多路复用器选择所需的输入。一个简单的解决方案是使用 8 路多路复用器，其中 3 个控制位选择 8 个信号之一。另一个简单的解决方案是使用 8 个通过晶体管，每个晶体管都有自己的控制信号，其中一个选择所需的信号。但是，FPGA 使用一种混合方法，该方法避免了第一种方法的解码硬件，但使用了 5 个控制信号，而不是第二种方法所需的 8 个控制信号。




上面的示意图显示了 FPGA 中使用的两级多路复用器方法。在第一阶段，控制信号之一被激活。第二阶段从顶部或底部选择信号作为输出。例如，假设控制信号  B/F 发送到第一级，“ ABCD”发送到第二级；输入 B 是唯一将传递到输出的 B。因此，选择八个输入之一需要在比特流中使用 5 位，并使用 5 个存储单元。

11、结论
XC2064 使用各种高度优化的电路来实现其逻辑块和路由。该电路需要紧凑的布局，以适合芯片。即使这样，XC2064 还是一个非常大的芯片，比当时的微处理器还大，因此一开始很难制造，而且要花费数百美元。与现代 FPGA 相比，XC2064 的单元数量非常少，但是即使如此，它也引发了革命性的新产品线。

了解 XC2064 比特流的关键是两个概念。首先，FPGA 由 64 个块组成，这些块是将逻辑块和路由结合在一起的重复块。尽管 FPGA 被描述为具有被路由包围的逻辑块，但这并不是实现它们的方式。

第二个概念是，比特流中没有抽象。它直接映射到 FPGA 的二维布局中。因此，只有考虑 FPGA 的物理布局，比特流才有意义。

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