FPGA工作原理

一.查找表（Look-Up-Table)的原理与结构

采用这种结构的PLD芯片我们也可以称之为FPGA：如altera的ACEX,APEX系列,xilinx的Spartan,Virtex系列等。

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16x1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的结果，并把结果事先写入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。

下面是一个4输入与门的例子，

实际逻辑电路		LUT的实现方式
a,b,c,d 输入	逻辑输出	地址	RAM中存储的内容
0000	0	0000	0
0001	0	0001	0
....	0	...	0
1111	1	1111	1

 

 

二.基于查找表（LUT)的FPGA的结构

 

我们看一看xilinx Spartan-II的内部结构，如下图：

xilinx Spartan-II 芯片内部结构	Slices结构

Spartan-II主要包括CLBs，I/O块，RAM块和可编程连线（未表示出）。在spartan-II中，一个CLB包括2个Slices,每个slices包括两个LUT，两个触发器和相关逻辑。 Slices可以看成是SpartanII实现逻辑的最基本结构 (xilinx其他系列，如SpartanXL,Virtex的结构与此稍有不同，具体请参阅数据手册）

altera的FLEX/ACEX等芯片的结构如下图：

altera FLEX/ACEX 芯片的内部结构

 

逻辑单元（LE）内部结构

FLEX/ACEX的结构主要包括LAB，I/O块，RAM块（未表示出）和可编程行/列连线。在FLEX/ACEX中，一个LAB包括8个逻辑单元（LE）,每个LE包括一个LUT，一个触发器和相关的相关逻辑。LE是FLEX/ACEX芯片实现逻辑的最基本结构(altera其他系列，如APEX的结构与此基本相同，具体请参阅数据手册）

 

二.查找表结构的FPGA逻辑实现原理

 

我们还是以这个电路的为例：

A,B,C,D由FPGA芯片的管脚输入后进入可编程连线，然后作为地址线连到到LUT，LUT中已经事先写入了所有可能的逻辑结果，通过地址查找到相应的数据然后输出，这样组合逻辑就实现了。 该电路中D触发器是直接利用LUT后面D触发器来实现。时钟信号CLK由I/O脚输入后进入芯片内部的时钟专用通道，直接连接到触发器的时钟端。触发器的输出与I/O脚相连，把结果输出到芯片管脚。这样PLD就完成了图3所示电路的功能。（以上这些步骤都是由软件自动完成的，不需要人为干预）

这个电路是一个很简单的例子，只需要一个LUT加上一个触发器就可以完成。对于一个LUT无法完成的的电路，就需要通过进位逻辑将多个单元相连，这样FPGA就可以实现复杂的逻辑。

由于LUT主要适合SRAM工艺生产，所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工艺的，而SRAM工艺的芯片在掉电后信息就会丢失，一定需要外加一片专用配置芯片，在上电的时候，由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中，然后FPGA就可以正常工作，由于配置时间很短，不会影响系统正常工作。 也有少数FPGA采用反熔丝或Flash工艺，对这种FPGA，就不需要外加专用的配置芯片。

 

三.其他类型的FPGA和PLD

   随着技术的发展，在2004年以后，一些厂家推出了一些新的PLD和FPGA，这些产品模糊了PLD和FPGA的区别。例如Altera最新的MAXII系列PLD，这是一种基于FPGA（LUT）结构，集成配置芯片的PLD，在本质上它就是一种在内部集成了配置芯片的FPGA，但由于配置时间极短，上电就可以工作，所以对用户来说，感觉不到配置过程，可以传统的PLD一样使用，加上容量和传统PLD类似，所以altera把它归作PLD。 还有像Lattice的XP系列FPGA，也是使用了同样的原理，将外部配置芯片集成到内部,在使用方法上和PLD类似，但是因为容量大，性能和传统FPGA相同，也是LUT架构，所以Lattice仍把它归为FPGA。

 

四.选择PLD还是FPGA？

 

根据上一篇PLD的结构和原理可以知道，PLD分解组合逻辑的功能很强，一个宏单元就可以分解十几个甚至20－30多个组合逻辑输入。而FPGA的一个LUT只能处理4输入的组合逻辑，因此，PLD适合用于设计译码等复杂组合逻辑。 但FPGA的制造工艺确定了FPGA芯片中包含的LUT和触发器的数量非常多，往往都是几千上万，PLD一般只能做到512个逻辑单元，而且如果用芯片价格除以逻辑单元数量，FPGA的平均逻辑单元成本大大低于PLD。 所以如果设计中使用到大量触发器，例如设计一个复杂的时序逻辑，那么使用FPGA就是一个很好选择。 同时PLD拥有上电即可工作的特性，而大部分FPGA需要一个加载过程，所以，如果系统要可编程逻辑器件上电就要工作，那么就应该选择PLD。