FPGA可编程性：核心结构深度解析与应用

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FPGA 的可编程性：探索其核心结构

大家好！今天我们来聊聊 FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）的可编程性，这可是它最核心的特性之一。说白了，FPGA 就像一块可以“定制”的芯片，你可以根据自己的需求，通过编程来改变它的内部结构和功能。

那么，FPGA 的可编程性到底是怎么实现的呢？它主要基于哪些结构呢？ 咱们一起来看看：

1. 可编程 I/O 单元

   你可以把 I/O 单元想象成 FPGA 的“手”和“脚”，它们负责与外部世界进行交流。通过软件，我们可以调整这些 I/O 单元，让它们适应不同的电气标准和物理特性。这意味着，一块 FPGA 可以连接各种各样的外部设备，非常灵活。

2. 基本可编程逻辑单元

   这才是 FPGA 的“大脑”，是实现各种逻辑功能的关键。它通常由查找表（LUT）和寄存器（Register）组成。查找表就像一个预先存储了各种逻辑运算结果的表格，而寄存器则用于存储数据。通过配置查找表和寄存器，我们可以实现各种复杂的逻辑功能。

   不同的 FPGA 厂商，其逻辑单元的内部结构和组合方式可能会有所不同。例如：

   • Altera（现在是 Intel 的一部分）：他们的逻辑单元叫做 LE（Logic Element），由一个寄存器和一个 LUT 组成。多个 LE 组合成 LAB（Logic Array Block），LAB 中还包含进位链、控制信号、互连线等资源。
   • Xilinx：他们的逻辑单元叫做 Slice，由上下两部分组成，每部分包含一个寄存器和一个 LUT，称为 LC（Logic Cell）。
   • Lattice：他们的逻辑单元叫做 PFU（Programmable Function Unit），包含 8 个 LUT 和 8-9 个寄存器。

   通常，我们会用寄存器和 LUT 的数量来衡量 FPGA 的规模。

3. 内嵌 RAM 块

   RAM 块就像 FPGA 的“记忆”，用于存储数据。它可以灵活地配置成各种常用的存储器结构，例如单端口 RAM、双端口 RAM、伪双端口 RAM、CAM（内容寻址存储器）、FIFO（先进先出队列）等。

   需要注意的是，FPGA 内部通常没有专用的 ROM 硬件资源。如果需要实现 ROM 的功能，通常的做法是：先将 RAM 赋予初值，然后保持这个初值不变。

   CAM 是一种特殊的存储器，它可以根据内容来查找地址。写入 CAM 的数据会和内部存储的每一个数据进行比较，并返回匹配的地址。

   FPGA 内部实现 RAM、ROM、CAM、FIFO 等存储结构，都是基于内嵌 RAM 块的，并根据需求自动生成相应的控制逻辑。

4. 丰富的布线资源

   布线资源就像 FPGA 的“神经”，它连接着 FPGA 内部的所有单元，负责信号的传输。布线的长度和工艺，决定了信号的驱动能力和传输速度。FPGA 内部通常有以下几种布线资源：

   • 全局性的专用布线资源：用于全局时钟和全局复位/置位的布线。
   • 长线资源：用于器件 Bank 间的高速信号和一些全局时钟信号的布线。
   • 短线资源：用于基本逻辑单元之间的逻辑互联和布线。
   • 基本逻辑单元内部也存在各种各样的布线资源和专用控制信号线。

5. 底层嵌入功能单元

   这些是一些通用的功能模块，例如 PLL（锁相环）、DLL（延迟锁相环）、DSP（数字信号处理器）和 CPU 等。

   PLL 和 DLL 用于时钟的管理和同步。Altera 芯片集成的是 PLL，Xilinx 芯片主要集成的是 DLL，Lattice 的新型 FPGA 同时集成了 PLL 和 DLL。

6. 内嵌专用硬核

   这些是针对特定应用而设计的硬核，通用性相对较弱，不是所有 FPGA 器件都包含硬核。

   总的来说，FPGA 的可编程性是通过这些结构来实现的。你可以根据自己的需求，通过编程来配置这些结构，从而实现各种各样的功能。

   FPGA 市场也有两个阵营：一方面是通用性较强、目标市场范围很广、价格适中的 FPGA；另一方面是针对性较强、目标市场明确、价格较高的 FPGA。

希望这篇文章能帮助你更好地理解 FPGA 的可编程性。如果你还有其他问题，欢迎留言讨论！