简单介绍FPGA及其工作原理

FPGA工作原理与简介

 
如前所述,FPGA,即现场可编程门阵列,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
简单介绍FPGA及其工作原理
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。
 
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。
 
目前,FPGA市场占有率最高的两大公司Xilinx和Altera生产的FPGA都是基于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。Actel、QuickLogic等公司还提供反熔丝技术的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,在军品和航空航天领域中应用较多,但这种FPGA不能重复擦写,开发初期比较麻烦,费用也比较昂贵。Lattice是ISP技术的发明者,在小规模PLD应用上有一定的特色。早期的Xilinx产品一般不涉及军品和宇航级市场,但目前已经有Q Pro-R等多款产品进入该类领域。
 
1.2.2 FPGA芯片结构
 
目前主流的FPGA仍是基于查找表技术的,已经远远超出了先前版本的基本性能,并且整合了常用功能(如RAM、时钟管理和DSP)的硬核(ASIC型)模块。如图1-1所示(注:图1-1只是一个示意图,实际上每一个系列的FPGA都有其相应的内部结构),FPGA芯片主要由6部分完成,分别为:可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入块式RAM、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。
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                                                                    图1-1 FPGA芯片的内部结构
 
每个模块的功能如下:
 
1. 可编程输入输出单元(IOB)
 
可编程输入/输出单元简称I/O单元,是芯片与外界电路的接口部分,完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动与匹配要求,其示意结构如图1-2所示。FPGA内的I/O按组分类,每组都能够独立地支持不同的I/O标准。通过软件的灵活配置,可适配不同的电气标准与I/O物理特性,可以调整驱动电流的大小,可以改变上、下拉电阻。目前,I/O口的频率也越来越高,一些高端的FPGA通过DDR寄存器技术可以支持高达2Gbps的数据速率。
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