FPGA的结构与组成.pdf

1、2、1 FPGA工作原理与简介 如前所述 ,FPGA就是在 PAL、GAL、EPLD、CPLD等可编程器件得基础上进一步发 展得产物。它就是作为 ASIC 领域中得一种半定制电路而出现得 , 即解决了定制电 路得不足 , 又克服了原有可编程器件门电路有限得缺点。 由于 FPGA需要被反复烧写 , 它实现组合逻辑得基本结构不可能像 ASIC 那样通过 固定得与非门来完成 , 而只能采用一种易于反复配置得结构。 查找表可以很好 地 满足这一要求 , 目前主流 FPGA都采用了基于 SRAM工艺得查找表结构 , 也有一些军 品与宇航级 FPGA采用 Flash 或者熔丝与反熔丝工艺得查找表结 构。通过烧写文 件改变查找表内容得方法来实现对 FPGA得重复配置。 根据数字电路得基本知识可以知道 , 对于一个 n 输入得逻辑运算 , 不管就是与或 非运算还就是异或运算等等 , 最多只可能存在 2n 种结果。所以如果事先将相应得 结果存放于一个存贮单元 , 就相当于实现了与非门电路得功能。 FPGA得原理也就 是如此 , 它通过烧写文件去配置查找表得内容 , 从而在相同得电路情况下实现了 不同得逻辑功能。 查找表 (Look-Up-Table) 简称为 LUT,LUT本质上就就是一个 RAM。目前 FPGA中多 使用 4 输入得 LUT,所以每一个 LUT可以瞧成一个有 4 位地址线得 得 RAM。 当 用户通过原理图或 HDL语言描述了一个逻辑电路以后 ,PLD/FPGA开发软件会自动 计算逻辑电路得所有可能结果 , 并把真值表 ( 即结果 ) 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 , 找出地址对应得内容 , 然 后输出即可。 下面给出一个 4 与门电路得例子来说明 LUT实现逻辑功能得原理。 例 1-1 : 给出一个使用 LUT实现 4 输入与门电路得真值表。 表 1-1 4 输入与门得真值表 从中可以瞧到 ,LUT 具有与逻辑电路相同得功能。实际上 ,LUT 具有更快得执行速 度与更大得规模。 由于基于 LUT得 FPGA具有很高得集成度 , 其器件密度从数万门到数千万门不等 , 可以完成极其复杂得时序与逻辑组合逻辑电路功能 , 所以适用于高速、 高密度 得 高端数字逻辑电路设计领域。其组成部分主要有可编程输入 / 输出单元、基本可 编程逻辑单元、 内嵌 SRAM、丰富得布线资源、 底层嵌入功能单元、 内嵌专用单 元 等 , 主要设计与生产厂家有 Xilinx 、Altera 、Lattice 、Actel 、Atmel 与 QuickLogic 等公司 , 其中最大得就是 Xilinx 、Altera 、Lattice 三家。 如前所述 ,FPGA就是由存放在片内得 RAM来设置其工作状态得 , 因此工作时需要 对片内 RAM进行编程。用户可根据不同得配置模式 , 采用不同得编程方式。 FPGA 有如下几种配置模式 : ? 并行模式 : 并行 PROM、Flash 配置 FPGA;