FPGA的基本结构详细概述

FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程的集成电路，它的主要特点是用户可以根据自己的需求，通过配置来实现特定的数字逻辑功能。FPGA由六个核心部分组成，分别是可编程输入/输出单元（I/O单元）、基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核。 1.可编程输入/输出单元（I/O单元） I/O单元是FPGA与外部电路交互的关键，它们能够适应不同的电气标准和I/O物理特性。通过软件配置，I/O单元可以调整匹配阻抗、上下拉电阻以及输出驱动电流大小，以满足不同应用场景的需求。 2.基本可编程逻辑单元这些单元由查找表（LUT）和寄存器（Register）构成，查找表用于实现组合逻辑功能，而寄存器则用于存储和控制时序逻辑。通常，一个基本可编程逻辑单元包括一个寄存器和一个查找表，但不同FPGA厂商的设计可能有所差异，比如LUT和Register的数量比例，以及它们的组合方式。FPGA的性能评估往往基于寄存器或LUT的数量。 3.嵌入式块RAM是FPGA中的存储资源，可以配置为单端口、双端口、伪双端口RAM，以及CAM和FIFO等不同类型的存储结构。CAM（内容地址存储器）能根据输入数据快速查找匹配的存储地址。FPGA的厂商如Xilinx和Lattice还能让LUT临时充当RAM、ROM或FIFO。 4.丰富的布线资源决定了FPGA内部单元之间的连接，包括全局性的专用布线、长线资源、短线资源和其他专用信号线。布线资源的优化对实现结果有直接影响，而布局布线器会根据逻辑网表和约束条件自动选择合适的布线。 5.底层嵌入功能单元这些单元包括通用功能模块，如锁相环(PLL)、延时锁定环(DLL)、数字信号处理器(DSP)和CPU等，用于实现特定的高级功能。 6.内嵌专用硬核是指并非所有FPGA都具备的特定功能模块，它们的通用性较弱，但针对某些特定应用提供高性能。以Altera公司的Cyclone II系列为例，EP2C5是一款采用90nm工艺的中端FPGA，其命名规则揭示了其性能指标，如逻辑单元数量、封装形式、管脚数、温度范围和速度等级。逻辑单元（LE）是构成FPGA的基本构建块，包含四输入查找表、可编程寄存器和进位链等组件，能够实现丰富的逻辑功能。了解FPGA的基本结构对于设计者来说至关重要，因为它直接影响到设计的灵活性、性能和功耗。通过掌握这些核心部分，设计师能够更好地选择和利用FPGA资源，实现高效且定制化的数字系统设计。