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[转载] FPGA知识介绍:13条重点知识助你构建完整的“逻辑观”

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发表于 2021-7-28 15:21:59 | 显示全部楼层 |阅读模式 来自 广东省深圳市
1、查找表 LUT 和编程方式
第一部分: 查找表 LUT
FPGA 是在 PAL、GAL、EPLD、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为 ASIC 领域中的一种半定制电路而出现的,即解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。   

由于 FPGA 需要被反复烧写,它实现组合逻辑的基本结构不可能像 ASIC 那样通过固定的与非门来完成,而只能采用一种易于反复配置的结构。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 工艺的查找表结构,也有一些军品和宇航级 FPGA 采用 Flash 或者熔丝与反熔丝工艺的查找表结 构。通过烧写文件改变查找表内容的方法来实现对 FPGA 的重复配置。   

根据数字电路的基本知识可以知道,对于一个 n 输入的逻辑运算,不管是与或非运算还是异或运算等等,最多只可能存在 2n 种结果。所以如果事先将相应的结果存放于一个存贮单元,就相当于实现了与非门电路的功能。FPGA 的原理也是如此,它通过烧写文件去配置查找表的内容,从而在相同的电路情况下实现了不同的逻辑功能。   

查找表(Look-Up-Table)简称为 LUT,LUT 本质上就是一个 RAM。目前 FPGA 中多使用 4 输入的 LUT,所以每一个 LUT 可以看成一个有 4 位地址线的 的 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的所有可能结果,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,找出地址对应的内容,然后输出即可。  

第二部分: 编程方式
由于基于 LUT 的 FPGA 具有很高的集成度,其器件密度从数万门到数千万门不等,可以完成极其复杂的时序与逻辑组合逻辑电路功能,所以适用于高速、高密度 的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、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用单 元等,主要设计和生产厂家有 XilinxAltera、Lattice、Actel、Atmel 和 QuickLogic 等公司,其中最大的是 Xilinx、Altera、Lattice 三家。  

FPGA 是由存放在片内的 RAM 来设置其工作状态的,因此工作时需要对片内 RAM 进行编程。用户可根据不同的配置模式,采用不同的编程方式。FPGA 有如下几种配置模式:  
1、并行模式:并行 PROM、Flash 配置 FPGA;
2、主从模式:一片 PROM 配置多片 FPGA;
3、串行模式:串行 PROM 配置 FPGA;  
4、外设模式:将 FPGA 作为微处理器的外设,由微处理器对其编程。

2、FPGA 芯片结构
目前主流的 FPGA 仍是基于查找表技术的,已经远远超出了先前版本的基本性能,并且整合了常用功能(如 RAM、时钟管理 和 DSP)的硬核(ASIC 型)模块。如图 1-1 所示(注:图 1-1 只是一个示意图,实际上每一个系列的 FPGA 都有其相应的内部结构),FPGA 芯片主 要由 6 部分完成,分别为:可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入块式 RAM、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件 模块。
每个模块的功能如下:  
1. 可编程输入输出单元(IOB)  
可编程输入 / 输出单元简称 I/O 单元,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,其示意结构如图 1-2 所示。FPGA 内的 I/O 按组分类,每组都能够独立地支持不同的 I/O 标准。通过软件的灵活配置,可适配不同的电气标准与 I/O 物理特性,可以调整驱动电流的大 小,可以改变上、下拉电阻。目前,I/O 口的频率也越来越高,一些高端的 FPGA 通过 DDR 寄存器技术可以支持高达 2Gbps 的数据速率。

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