下载掌阅APP，畅读海量书库
立即打开
FPGA是在可编程阵列逻辑（Programmable Array Logic，PAL）、通用阵列逻辑（Generic ArrayLogic，GAL）、可擦除可编程逻辑器件（Erasable Programmable Logic Device，EPLD）等器件的基础上进一步发展的产物。目前FPGA的品种很多，主要包含Xilinx公司的Virtex、Kintex、Artix和Spartan系列等;Altera公司的Cyclone、Arria、Stratix系列等。
FPGA器件具有高密度、高速率、系列化、标准化、小型化、多功能、低功耗、低成本，设计灵活方便，可无限次反复编程，并可现场模拟调试验证等特点。目前，主流的FPGA仍是基于查找表（LookUpTable，LUT）技术的。
1.查找表逻辑结构
LUT是可编程的最小逻辑构成单元。大部分FPGA采用SRAM（静态随机存储器）的查找表逻辑形成结构，即用SRAM来构成逻辑函数发生器。一个N输入LUT可以实现N个输入变量的任何逻辑功能，如N输入“与”、N输入“异或”等。图1－3所示为4输入LUT，其内部结构如图1－4所示。
一个N输入的查找表，需要SRAM存储N个输入构成的真值表，需要用2n位的SRAM单元。显然N不可能很大，否则LUT的利用率很低。输入多于N个的逻辑函数，必须用多个查找表分开实现。
图1－3 4输入LUT
图1－4 FPGA查找表单元内部结构
Xilinx的Virtex－6系列、Spartan－3E系列、Spartan－6系列，Altera的Cyclone、Cyclone 2/3/4/5、Stratix－3、Stratix－4等系列都是采用SRAM查找表构成的，是典型的FPGA器件。
2. CycloneⅢ系列器件的结构
CycloneⅢ系列器件是由Altera公司推出的一款低功耗、高性价比的FPGA，其结构和工作原理在FPGA器件中具有典型性。下面以此类器件为例，介绍FPGA的结构。
1）器件平面结构图 CycloneⅢ器件主要由逻辑阵列块（LAB）、嵌入式存储器块、嵌入式乘法器、I/O单元和PLL等模块构成，如图1－5所示。在各个模块之间存在着丰富的互连线和时钟网络。
图1－5 CycloneⅢ器件平面结构图
2）逻辑单元和逻辑阵列块 CycloneⅢ器件的可编程资源主要来自逻辑阵列块LAB，而每个LAB都由多个逻辑宏单元LE（Logic Elememt）或LC（Logic Cell）构成。LE是Cyclone ⅢFPGA器件中最基本的可编程单元，它主要由一个4输入LUT、进位链逻辑、寄存器链逻辑和一个可编程的寄存器构成，如图1－6所示。其中4输入LUT可以完成所有的4输入1输出的组合逻辑功能。每一个LE的输出都可以连接到行、列、直连通路、进位链、寄存器链等布线资源。
图1－6 CycloneⅢLE结构图
每个LE中的可编程寄存器都可以被配置成D触发器、T触发器、J－K触发器和R－S寄存器模式。每个可编程寄存器都具有数据、时钟、时钟使能、清零输入信号。全局时钟网络、通用I/O口及内部逻辑可以灵活配置寄存器的时钟和清零信号。任何一个通用I/O口内部逻辑都可以驱动时钟使能信号。在一些只需要组合电路的应用中，对于组合逻辑的，可将该配置寄存器旁路，LUT的输出可作为LE的输出。
LE有3个输出驱动内部互连，其中的一个驱动局部互连，另外两个驱动行或列的互连资源。LUT和寄存器的输出可以单独控制，进而实现了在一个LE中，LUT驱动一个输出，而寄存器驱动另一个输出（这种技术称为寄存器打包）。因而在一个LE中的寄存器和LUT能够用于完成不相关的功能，因此能够提高LE的资源利用率。
寄存器反馈模式允许在一个LE中将寄存器的输出作为反馈信号，加到LUT的一个输入上，在一个LE中就可以完成反馈。
除上述的3个输出外，在一个逻辑阵列中的LE还可以通过寄存器链进行级联。在同一个LAB中的LE里的寄存器可以通过寄存器链级联在一起，构成一个移位寄存器，那些LE中的LUT资源可以单独实现组合逻辑功能，二者互不相关。
CycloneⅢ的LE可以工作在两种操作模式下，即普通模式和算术模式。在不同的LE操作模式下，LE的内部结构和LE之间的互连有些差异。图1－7和图1－8所示的分别是CycloneⅢLE在普通模式和算术模式下的结构和连接图。
图1－7 CycloneⅢLE普通模式
图1－8 CycloneⅢLE算术模式
普通模式下的LE适合通用逻辑应用和组合逻辑的实现。在该模式下，来自LAB局部互连的4个输入将作为一个4输入1输出的LUT的输入端口。可以选择进位输入（cin）信号或data3信号作为LUT中的一个输入信号。每个LE都可以通过LUT链直接连接到（在同一个LAB中的）下一个LE。在普通模式下，LE的输入信号可以作为LE中寄存器的异步装载信号。普通模式下的LE也支持寄存器打包与寄存器反馈。
算术模式下的LE可以更好地实现加法器、计数器、累加器和比较器。在算术模式下的单个LE内有两个3输入LUT，可被配置成一位全加器和基本进位链结构。其中一个3输入LUT用于计算，另一个3输入LUT用于输出信号cout。在算术模式下，LE支持寄存器打包与寄存器反馈。
逻辑阵列块LAB是由一系列相邻的LE构成的。每个CycloneⅢLAB包含16个LE，在LAB中和LAB之间存在着行互连、列互连、直连通路互连、LAB局部互连、LE进位链和寄存链。图1－9所示的是CycloneⅢLAB的结构图。
每个LAB都由专用的逻辑来生成LE的控制信号，这些LE的控制信号包括两个时钟信号、两个时钟使能信号、两个异步清零、同步清零、异步预置/装载信号、同步装载和加/减控制信号。图1－10所示的是LAB控制信号生成的逻辑图。
图1－9 CycloneⅢLAB结构
图1－10 CycloneⅢLAB控制信号生成的逻辑图
3）多轨道互连 在CycloneⅢ中，通过多轨道互连的直接驱动技术来提供LE、M9K存储器、嵌入式乘法器、I/O引脚之间的连接。多轨道互连包括固定短距离的行互连（Direct Link，R4 and R24）和列互连（Register Chain，C4 and C16）。图1－11所示为Cyclone R4互连连接；图1－12所示为LAB阵列间互连；图1－13所示为M9K RAM块与LAB行的接口。
图1－11 CycloneⅢR4互连连接
图1－12 CycloneⅢLAB阵列间互连
图1－13 CycloneⅢM9K RAM块与LAB行的接口
4）嵌入式存储器 CycloneⅢFPGA器件中所含的嵌入式存储器（Embedded Memory）由数十个M9K的存储器块构成，每个M9K存储器块都具有很强的伸缩性，可以实现8192 位RAM（单端口、双端口、带校验、字节使能）、ROM、移位寄存器、FIFO等功能。嵌入式寄存器可以通过多种连线与可编程资源实现连接，大大增强了FPGA的功能，扩大了FPGA的应用范围。
5）嵌入式乘法器 除了嵌入式存储器，在CycloneⅢ系列器件中还含有嵌入式乘法器（Embedded Multiplier），如图1－14所示。这种硬件乘法器的存在可以大大提高FPGA处理DSP（数字信号处理）任务的能力。CycloneⅢ系列器件的嵌入式乘法器具有的特点为：可以实现9×9或18×18乘法器；乘法器的I/O可以选择是寄存的还是非寄存的（即组合I/O）；可以与FPGA中的其他资源灵活地构成适合DSP算法的MAC（乘加单元）。
6）时钟网络和锁相环 在CycloneⅢ器件中设置有全局控制信号，由于系统的时钟延时会严重影响系统的性能，因此在CycloneⅢ中设置了复杂的全局时钟网络，以减少时钟信号的传输延迟，如图1－15所示。另外，在CycloneⅢFPGA中还有2～4个独立的嵌入式锁相环PLL，可以用于调整时钟信号的波形、频率和相位，如图1－16所示。
图1－14 嵌入式乘法器
图1－15 时钟网络的时钟控制
图1－16 CycloneⅢPLL
7） I/O接口单元 CycloneⅢ的I/O支持多种的I/O接口，符合多种的I/O标准，可以支持差分的I/O标准，如LVDS（低压差分串行）和RSDS（去抖动差分信号）、SSTL－2、SSTL－18、HSTL－18、HSTL－15、HSTL－12、PPDS、差分LVPECL，当然也支持普通单端的I/O标准，如LVTTL、LVCOMS、PCI和PCI－X I/O等，通过这些常用的端口与板上的其他芯片沟通。CycloneⅢ系列器件除了片上的嵌入式存储器资源外，还可以外接多种外部存储器，如SRAM、NAND、SDRAM、DDRSDRAM、DDR2 SDRAM等。图1－17所示的是CycloneⅢIOE结构图。
图1－17 CycloneⅢIOE结构图
FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度和可靠性的最佳选择之一，其主要特点如下所述。
采用FPGA设计ASIC，不需要投片生产，设计周期短、开发费用低、风险小；
FPGA可做其他全定制或半定制ASIC电路的中试样片；
FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚；
FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。