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FPGA的结构与组成.docx
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2022-11-02
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如前所述,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。
n
根据数字电路的基本知识可以知道,对于一个 输入的逻辑运算,不管是与或非运算还是异
2n
或运算等等,最多只可能存在 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。
从中可以看到,LUT 具有和逻辑电路相同的功能。实际上,LUT 具有更快的执行速度和更大
的规模。
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 Xilinx、
Altera、Lattice、Actel、Atmel 和 QuickLogic 等公司,其中最大的是 Xilinx、Altera、
Lattice 三家。
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