FPGA查找表LUT和编程方式的基础知识说明

第一部分：查找表LUTr r tFPGA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。r r t r r t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。r r t r r t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。r r t r r t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。r r t r r t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。 **FPGA查找表LUT和编程方式基础知识** FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种高度可配置的集成电路，它的出现是为了解决ASIC（Application-Specific Integrated Circuit）定制电路的灵活性问题以及传统可编程逻辑器件（如PAL、GAL、EPLD、CPLD）的门电路限制。FPGA提供了半定制电路的优势，允许用户通过反复配置来实现不同的逻辑功能。 **查找表LUT**查找表（Look-Up-Table，简称LUT）是FPGA实现逻辑功能的核心。LUT本质上是一个随机访问存储器（RAM），通常在FPGA中采用4输入LUT，这意味着每个LUT有4条输入线和相应的地址线。4输入LUT可以覆盖所有可能的16种输入组合，因为对于4个二进制输入，存在2^4=16种不同的输入状态。当用户通过原理图或硬件描述语言（HDL，如VHDL或Verilog）定义逻辑功能时，开发工具会自动生成逻辑电路的真值表，并将这个表写入LUT的内存中。在运行时，FPGA通过输入信号的组合形成地址，然后从LUT中读取相应输出，从而实现逻辑运算。例如，4输入的与门可以通过LUT实现，其中LUT的内容就是4输入与门的真值表。 **FPGA的编程方式** FPGA的编程主要涉及到如何将用户的设计配置到FPGA的内部RAM中。常见的编程模式有： 1. **并行模式**：使用并行编程设备（如PROM或Flash）同时加载多个配置数据到FPGA的不同部分。 2. **主从模式**：一片编程设备（如PROM）可以配置多片FPGA，节省了外部编程设备的数量。 3. **串行模式**：配置数据逐位通过串行接口加载到FPGA，适合小型、低功耗的应用。 4. **外设模式**：FPGA作为微处理器的外设，由微处理器控制编程过程。主流FPGA厂商如Xilinx和Altera采用基于SRAM工艺的FPGA，它们需要外部存储器在每次上电时重新加载配置数据。这种类型的FPGA可以反复编程，方便开发和调试。相比之下，Actel和QuickLogic等公司的部分产品使用反熔丝工艺，配置一次后不可更改，适合对可靠性要求极高的军事和航空航天应用。 **配置模式的选择**选择配置模式取决于应用需求。并行和主从模式适合需要快速配置的场合，而串行模式则适合低功耗和空间有限的环境。外设模式则提供了一种灵活的方式，使得FPGA可以集成到更复杂的系统中，由微处理器统一管理。 FPGA的查找表LUT技术和多样化的编程方式使得FPGA能够适应各种复杂逻辑设计的需求，从高速通信到嵌入式系统，再到航空航天领域，都有着广泛的应用。FPGA的可重复编程性、灵活性和高性能使其成为了现代电子设计的重要工具。