8.6 现场可编程门陈列FPGA

8.6.1FPGA简介

a.是一种采用基于SRAM工艺和查找表LUT结构的现场可编程逻辑器。

b.内含大量的可配置逻辑块CLB.逻辑块排成陈列，通过丰富的可编程连线RP互相连接，再通过输入-输出模块IOB与芯片的引脚连接，可以方便实现需要大量数据处理能力复杂的数字系统。

c. 一旦断电，就会丢失所有的逻辑功能，每次上电，需要重新加载。

FPGA正在不断更新换代，新的器件具有最佳性价比，因此学习最新FPGA产品非常重要。

8.6.2 FPGA的基本结构

主要包括CLB.IOB.嵌入式块BRAM和可编程布线PR

其中：

CLB是FPGA中基本的逻辑单元，其陈列完成用户指定的逻辑功能；IOB位于芯片四周，为内部逻辑陈列与外部引脚之间提供一个可编程接口。

PR位于CLB之间，编程后形成连线网络，用于为FPGA各逻辑单元提供灵活可配的连接。

除了上述基本模块以外，新的FPGA还有很多其它功能单元，例如数字时钟管理器DCM和乘法器等。

1. 查找表

  FPGA中的组合逻辑函数是用查找表LUT实现的。

一个LUT本质上就是一个RAM，一个4输入的LUT可以看成一个有4位地址线的RAM

如果把要实现逻辑函数的真值表事先存入RAM中，通过查表就可以方实现逻辑函数。

例如要使用LUT实现一个4输入与门电路，只需要把与门真值表写入4输入的LUT,就相当于实现了与门电路的逻辑功能。

LUT具有和逻辑电路相同的功能，且具有更快的执行速度和更大的规模。

2. 可配置里哦及块CLB

  一个CLB由4GE个SLICE和附加逻辑组成。

右边两个SLice是SLICEL,它们只有组合逻辑资源。

左边两个SLicesh是SLICEM，它们包含组合逻辑，分布式RAM和移位寄存器资源。

每个CLB都包含一个可配置开关矩阵，此矩阵可以对其进行配置使CLB不仅可以用于实现组合逻辑.时序逻辑.还可以配置为分布式RAM等。

SLice的组成：

   a.LUT

   b.进位和控制逻辑

    c. D触发器

一个4输入LUT可以实现4输入函数，加上一个旁路输入BX或BY可以实现5变量逻辑函数。

3. 输入输出模块IOB

输入输出模块IOB是FPGA的主要组成部分之一，作用是为FPGA提供内部资源与外围电路的接口，提供输入缓冲.输出驱动.接口电平转换.阻抗匹配.延迟控制等功能。

4.  嵌入式模块RAM（BRAM)

目前的 FPGA一般都有内嵌的BRAM，大大扩展FPGA的应用范围和灵活性。

BRAM是双口RAM结构，有两套读写数据.地址和控制总线，共享同一组存储单元。两套总线的操作是完全独立的。

BRAM 可被配置为单端口RAM.双端口RAM.内容地址存储器（CAM)等常用存储结构。

5.可编程布线资源PR

FPGA芯片内部有丰富的布线资源PR，通过编程可以连通FPGA内部的所有单元。

根据工艺长度宽度和分布位置的不同，PR可分类：

第一类全局布线，通常用来连接芯片内部全局时钟和全局清零/置位信号；

第二类长线，用以连接芯片Bank间的高速信号和第二全局时钟信号；

第三类短线，用于完成基本逻辑单元之间的逻辑互连和布线；

第四类分布式布线，用于专有时钟复位等控制信号线。

在实际中设计者不需要直接选择布线资源，布局布线器可自动根据输入逻辑网表的拓扑结构和约束条件选择布线资源来连通各个模块单元。

6. 内嵌功能单元

    内嵌功能模块主要指：数字时钟管理器DCM.DSP和CPU等软件处理核。

越来越丰富的内嵌功能单元，使得单片FPGA成为了系统级的设计工具，使其具备了软硬件联合设计的能力，逐步向系统级芯片SOC平台过度。

7. 内嵌专用硬核

内核专用硬核是指FPGA处理能力强大的硬核，相当于专用于专用集成电路ASIC电路。

为了提高FPGA性能，芯片生产商在芯片内部集成了一些专用的硬核。