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FPGA芯片结构、工作原理与软核、硬核、固核详解 (2).docx
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FPGA 芯片
一、 FPGA 芯片原理
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
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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。
下面给出一个 4 与门电路的例子来说明 LUT 实现逻辑功能的
原理。
例 1-1 :给出一个使用 LUT 实现 4 输入与门电路的真值表。
表 1-1 :4 输入与门的真值表
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
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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。
如前所述,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:
并行模式 :并行 PROM 、Flash 配置 FPGA ;
主从模式 :一片 PROM 配置多片 FPGA ;
串行模式 :串行 PROM 配置 FPGA ;
外设模式 :将 FPGA 作为微处理器的外设, 由微处理器对其编
程。
FPGA 是基于 SRAM 工艺的,需要在使用时外接一个片外存储
器以保存程序。
上电时, FPGA 将外部存储器中的数据读入片内 RAM ,完成配
置后,进入工作状态;掉电后 FPGA 恢复为白片,内部逻辑消失。
这样 FPGA 不仅能反复使用,还无需专门的 FPGA 编程器,只
需通用的 EPROM 、PROM 编程器即可。
反熔丝技术的 FPGA ,只能下载一次, 具有抗辐射、 耐高低温、
低功耗和速度快等优点, 但这种 FPGA 不能重复擦写, 开发初期比
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