1.FPGA概述

FPGA是英文FieldProgrammableGateArray的縮寫(xiě)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專(zhuān)用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)

2.FPGA芯片結(jié)構(gòu)

FPGA芯片主要由三部分組成，分別是IOE(inputoutputelement，輸入輸出單元)、LAB(logicarrayblock，邏輯陣列塊，對(duì)于Xilinx稱(chēng)之為可配置邏輯塊CLB)和Interconnect(內(nèi)部連接線)。

2.1 IOE

IOE是芯片與外部電路的物理接口，主要完成不同電氣特性下輸入/輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)與匹配要求，比如從基本的LVTTL/LVCMOS接口到PCI/LVDS/RSDS甚至各種各樣的差分接口，從5V兼容到3.3V/2.5V/1.8V/1.5V的電平接口，下面是ALTERA公司的CycloneIVEP4CE115F29設(shè)備的IOE結(jié)構(gòu)

EP4CE115F29設(shè)備的IOE結(jié)構(gòu)圖

FPGA的IOE按組分類(lèi)，每組都能夠獨(dú)立地支持不同的I/O標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)軟件的靈活配置，可匹配不同的電器標(biāo)準(zhǔn)與IO物理特性，而且可以調(diào)整驅(qū)動(dòng)電流的大小，可以改變上/下拉電阻，CycloneIV設(shè)備有8個(gè)IOblank(組)，見(jiàn)下圖：

CycloneIV設(shè)備的IO組

2.2 LAB

LAB是FPGA的基本邏輯單元，其實(shí)際的數(shù)量和特性依據(jù)所采用的器件的不同而不同，EP4CE115F29設(shè)備的每個(gè)LAB的布局包括16個(gè)LE、LAB控制信號(hào)、LEcarrychains、Registerchains和Localinterconnect，其LAB結(jié)構(gòu)圖如下：

LAB結(jié)構(gòu)圖

LE是CycloneIV設(shè)備最小的邏輯單元，每個(gè)LE主要有LUT和寄存器組成的，

LE的結(jié)構(gòu)圖

查找表LUT(Look-Up-Table)其本質(zhì)是一個(gè)靜態(tài)存儲(chǔ)器SRAM，目前FPGA多采用4輸入的LUT，每個(gè)LUT可以看作一個(gè)有4位地址線的16x1的RAM。當(dāng)我們通過(guò)原理圖或HDL語(yǔ)言描述了一個(gè)邏輯電路后，F(xiàn)PGA開(kāi)發(fā)軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算邏輯電路的所有可能的結(jié)果，并把結(jié)果事先寫(xiě)入RAM。這樣，在FPGA工作時(shí)，每輸入一個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，然后輸出。

LUT的實(shí)現(xiàn)原理圖