FPGA典型結(jié)構(gòu)圖介紹

基于LUT的FPGA具有很高的集成度，其器件密度從數(shù)萬門到數(shù)千萬門不等，可以完成極其復(fù)雜的時序與邏輯組合的邏輯電路功能，因此其適用于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設(shè)計領(lǐng)域。其組成部分主要有可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、內(nèi)嵌SRAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元、內(nèi)嵌專用單元等。FPGA的主要設(shè)計和生產(chǎn)廠家有賽靈思、Altera、Lattice、Actel、Atmel和QuickLogic等，其中最大的是美國賽靈思公司，在可編程市場中占有50%以上的份額，比其他所有競爭對手市場份額的總和還多。

FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時需要對片內(nèi)的RAM進行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。

目前，F(xiàn)PGA市場占有率最高的兩大公司——賽靈思公司和Altera生產(chǎn)的FPGA都是基于SRAM工藝的，需要在使用時外接一個片外存儲器以保存程序。上電時，F(xiàn)PGA將外部存儲器中的數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)RAM，完成配置后，進入工作狀態(tài);掉電后SRAM存儲的數(shù)據(jù)丟失，內(nèi)部邏輯消失。這樣，F(xiàn)PGA能反復(fù)使用，且無須專門的FPGA編程器，只需配備一片存儲代碼的FLASH存儲器即可。

Actel、QuickLogic等公司還提供反熔絲技術(shù)的FPGA，它具有抗輻射、耐高低溫、低功耗和速度快等優(yōu)點，在軍品和航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用較多，但這種FPGA不能重復(fù)擦寫，開發(fā)初期比較麻煩，費用也比較昂貴。Lattice是ISP技術(shù)的發(fā)明者，在小規(guī)模PLD應(yīng)用上有一定的特色。賽靈思公司的早期產(chǎn)品一般不涉及軍品和宇航級市場，但目前已經(jīng)有多款產(chǎn)品進入該領(lǐng)域。

目前主流的FPGA仍是基于查找表技術(shù)的，已經(jīng)遠遠超出了先前版本的基本性能，并且整合了常用功能（如RAM、時鐘管理和DSP）的硬核（ASIC型）模塊。

此處，我們以XC2V3000為例，介紹典型的FPGA結(jié)構(gòu)圖。XC2V3000擁有300萬門的超大系統(tǒng)容量，采用0.15μm/0.12μmCMOS8層金屬混合工藝設(shè)計，內(nèi)核電壓為1.5V，根據(jù)輸入/輸出參考電壓的不同設(shè)計可支持多種接口標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部時鐘頻率可達420MHz。XC2V3000的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1-1所示，它主要由可配置邏輯（CLB）、用戶可編程I/O（IOB）、BlockSelectRAM、數(shù)字時鐘管理模塊（DCM）、數(shù)字阻抗匹配模塊（DCI）和硬件乘法器等組成。其中CLB用于實現(xiàn)FPGA的絕大部分邏輯功能;IOB用于提供封裝引腳與內(nèi)部邏輯之間的接口;BlockRAM用于實現(xiàn)FPGA內(nèi)部的隨機存取，它可配置RAM、雙口RAM、FIFO等隨機存儲器;DCM用于提供靈活的時鐘管理功能;硬件乘法器用于提高FPGA的數(shù)字信號處理能力。

1、可配置邏輯塊（CLB）

如圖1-2所示，XC2V3000的CLB模塊由4個相同的Slice和附加邏輯構(gòu)成，用于實現(xiàn)組合邏輯和時序邏輯。

每個Slice由2個4輸入函數(shù)發(fā)生器、進位邏輯、算術(shù)邏輯、存儲邏輯和函數(shù)復(fù)用器組成。算術(shù)邏輯包括1個異或門（XORG）與1個專用與門（MULTAND），1個異或門可以使1個Slice實現(xiàn)2位全加操作，專用與門用于提高乘法器的效率。進位邏輯由專用進位信號和函數(shù)復(fù)用器（MUXC）組成，共同實現(xiàn)快速的算術(shù)加減法操作。具體結(jié)構(gòu)詳見圖1-3和圖1-4。

2、可編程輸入/輸出單元（IOB）

可編程輸入/輸出單元簡稱IOB，提供FPGA內(nèi)部邏輯與外部封裝引腳之間的接口，用于完成不同電氣特性下對輸入/輸出信號的驅(qū)動和匹配。根據(jù)當(dāng)前使用的I/O接口標(biāo)準(zhǔn)的不同，需要設(shè)置不同的接口電壓Vcco和參考電壓VREF。XC2V3000的I/O引腳分布在8個Bank中，同一個Bank的接口電壓Vcco必須保持一致，不同Bank的接口電壓Vcco允許不同。

如圖1-5所示，XC2V3000的IOB模塊含有6個存儲單元，可以單獨配置為邊沿D觸發(fā)器或鎖存器，也可以成對實現(xiàn)DDR（Double-Data-Rate）輸入和DDR輸出。

DDR寄存器的結(jié)構(gòu)見圖1-6。

3、嵌入式塊RAM（BRAM）

XC2V3000的BlockSelectRAM資源豐富，其單位容量為18Kb雙端口RAM，可以自由設(shè)定數(shù)據(jù)寬度和深度縱橫比，并支持三種并發(fā)讀/寫（Read-During-Write）模式。

4、豐富的布線資源

布線資源連通FPGA內(nèi)部所有的單元，IOB、CLB、BRAM、DCM等都使用相同的內(nèi)連陣列。XC2V3000內(nèi)部共有16條全局時鐘線，用于芯片內(nèi)部全局時鐘和全局復(fù)位/置位的布線。24條縱橫交錯的長線資源實現(xiàn)了芯片Bank間的高速通信和第二全局時鐘信號的布線。

5、底層內(nèi)嵌功能單元

XC2V3000集成了豐富的內(nèi)嵌功能模塊，如DCM（數(shù)字時鐘管理器）、DCI（數(shù)字控制阻抗）、MicroBlaze軟處理器核等，使其具有軟、硬件聯(lián)合設(shè)計的能力，可以用有限的資源完成系統(tǒng)級的設(shè)計任務(wù)。