FPGA基本结构

FPGA基本结构

FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、

GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路

（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服

了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA工作原理

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Ce羊排的功效与作用 ll Array）这样一个概念，内部

包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input

Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。 现场可编程门阵列（FPGA）

是可编程器件。与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA

具有不同的结构，FPGA利用小型 查找表（161RAM）来实现组合逻辑，每个查

找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，

由此构成了即可实现组合逻辑 功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模

块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过

向内部静态存储单元加载编程数据 来实现的，存储在存储器单元中的值决定了

逻辑单元的逻辑功能以及个模块之间或模块与I/O间的连接方式,并最终决定了

逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或 模块与I/O间的联接方式,并最终决定

了FPGA所能实现的功能, FPGA允许无限次的编程.

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7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。

图1-1 FPGA芯片的内部结构

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。

图1-2 典型的IOB内部结构示意图

典型的IOB内部结构示意图

外部输入信号可以通过IOB模块的存储单元输入到FPGA的内部，也可以直接输

入FPGA 内部。当外部输入信号经过IOB模块的存储单元输入到FPGA内部时，

其保持时间（Hold Time）的要求可以降低，通常默认为0。

为了便于管理和适应多种电器标准，FPGA的IOB被划分为若干个组（bank），

每个 bank的接口标准由其接口电压VCCO决定，一个bank只能有 一种VCCO，

但不同bank的VCCO可以不同。只有相同电气标准的端口才能连接在一起，VCCO

电压相同是接口标准的基本条件。

2． 可配置逻辑块（CLB）

CLB是FPGA内的初一下册古诗 基本逻辑单元。CLB的实际数量和特性会依器件的不同而不

同，但是每个 CLB都包含一个可配置开关矩阵，此矩阵由4或6个输入、一些 选

型电路（多路复用器等）和触发器组成。 开关矩阵是高度灵活的，可以对其进

行配置以便处理组合逻辑、移位寄存器或RAM。在Xilinx公司的FPGA器件中，

CLB由多个（一般为4个或2历史唯物主义 个） 相同的Slice和附加逻辑构成，如图1-3所

示。每个CLB模块不仅可以用于实现组合逻辑、时序逻辑，还可以配置为分布式

RAM和分布式ROM。

图1-3 典型的CLB结构示意图

典型的CLB结构示意图

Slice 是Xilinx公司定义的基本逻辑单位，其内部结构如图1-4所示，一个

Slice由两个4输入的函数、进位逻辑、算术逻辑、存储逻辑和函数复用器组成。

算术逻辑包括一个异或门（XORG）和一个专用与门（MULTAND），一个异或门可

以使一个Slice实现 2bit全加操作，专用与门用于提高乘法器的效率；进位逻

辑由专用进位信号和函数复用器（MUXC）组成，用于实现快速的算术加减法操作；

4输入函数发生 器用于实现4输入LUT、分布式RAM或16比特移位寄存器

（Virtex-5系列芯片的Slice中的两个输入函数为6输入，可以实现6输入LUT

或 64比特移位寄存器）；进位逻辑包括两条快速进位链，用于提高CLB模块的

处理速度。

图1-4 典型的4输入Slice结构示意图

典型的4输入Slice结构示意图

3． 数字时钟管理模块（DCM）

业内大多数FPGA均提供数字时钟管理（Xilinx的全部FPGA均具有这种特

性）。Xilinx推出最先进的FPGA提供数字时钟管理和相位环路锁定。相位环路

锁定能够提供精确的时钟综合，且能够降低抖动，并实现过滤功能。

4． 嵌入式块RAM（BRAM）

大多数FPGA都具有内嵌的块RAM，这大大拓展了FPGA的应用范围和灵活性。

块RAM可被 配置为单端口RAM、双端口RAM、内容地址存储器 （CAM）以及FIFO

等常用存储结构。RAM、FIFO是比较普及的概念，在此就不冗述。CAM存储器在

其内部的每个存储单元中都有一个比较逻辑，写入 CAM中的数据会和内部的每

一个数据进行比较，并返回与端口数据相同的所有数据的地址，因而在路由的地

址交换器中有广泛的应用。除了块RAM，还可以将 FPGA中的LUT灵活地配置成

RAM、ROM和FIFO等结构。在实际应用中，芯片内部块RAM的数量也是选择芯片

的一个重要因素。

单片块RAM的容量为18k比特，即位宽为18比特、深度为1024，可以根据

需要改变其位宽 和深度，但要满足两个原则：首先，修改后的容量（位宽 深度）

不能大于18k比特；其次，位宽最大不能超过36比特。当然，可以将多片块RAM

级联起来形成更大的RAM，此时只受限于芯片内块RAM的数量，而 不再受上面

两条原则约束。

5． 丰富的布线资源

布线资源连通FPGA内部的所有单元，而连线的长度和工艺决定着信号在连

线上的驱动能力和传输 速度。FPGA芯片内部有着丰富的布线资源，根据工艺、

长度、宽度和分布位置的不同而划分为4类不同的类别。第一类是全局布线资源，

用于芯片内部全局时钟 和全局复位/置位的布线；第二类是长线资源，用以完成

芯片 Bank间的高速信号和第二全局时钟信号的布线；第三类是短线资源，用于

完成基本逻辑单元之间的逻辑互连技术作品 和布线；第四类是分布式的布线资源，用于专

有时 钟、复位等控制信号线。

在实际中设计者不需要直接选择布线资源，布局布线器可自动地根据输入逻

辑网表的拓扑结构和约束条件选择布线资源来连通各个模块单元。从本质上讲，

布线资源的使用方法和设计的结果有密切、直接的关系。

6． 底层内嵌功能单元

内嵌功能模块主要指DLL（Delay Locked Loop）、PLL（Pha Locked Loop）、

DSP和CPU等软处理核（SoftCore）。现在越来越丰富的内嵌功能单元，使得单

片FPGA成为了系统级的设计工具八年级下册历史第一单元思维导图 ，使其具备了软硬件 联合设计的能力，逐步向

SOC平台过渡。

DLL和PLL具有类似的功能，可以完成时钟高精度、低抖动的倍频和分频，

以及占空比调整和移 相等功能。Xilinx公司生产的芯片上集成了 DLL，Altera

公司的芯片集成了PLL，Lattice公司的新型芯片上同时集成了PLL和DLL。PLL

和DLL可以通过IP核生成的工具方便地进行管理和配置。DLL的结构如图1-5

所示。

图1-5 典型的DLL模块示意图

典型的DLL模块示意图

7. 内嵌专用硬核

内嵌专用硬核是相对底层嵌入的软核而言的，指FPGA处理能力强大的硬核

（Hard Core），等效于ASIC电路。为了提高FPGA性能，微信群艾特所有人怎么弄 芯片生产商在芯片内

部集成了一些专用的硬核。例如：为了提高FPGA的乘法速度，主流的FPGA 中

都集成了专用乘法器；为了适用通信总线与接口标准，很多高端的FPGA内部都

集成了串并收发器（SERDES），可以达到数十Gbps的收发速度。

Xilinx公司的高端产品不仅集成了Power PC系列CPU，还内嵌了DSP Core

模块，其相应的系统级设计工具是EDK和Platform Studio，并依此提出了片上

系统（System on Chip）的概念。通过PowerPC、Miroblaze、Picoblaze等平台，

能够开发标准的DSP处理器及其相关应用，达到SOC的开发目 的。

FPGA的基本特点

1）采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片生产，就能

得到合用的芯片。

2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

3）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。

4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之

一。

5) FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需

要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA

进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能

够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM

编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片

FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵

活。