【主题】：FPGA内部基本结构

【作者】：LinCoding

【时间】：2016.12.13

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总结自《Altera FPGA/CPLD设计 基础篇》第二版。

FPGA的基本结构：

FPGA的基本组成有：可编程I\O单元、基本可编程逻辑单元、内嵌RAM块、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等。

1、可编程I\O单元：

可编程I\O单元通过软件可适配不同的电气标准与物理特性。

2、基本可编程逻辑单元：

基本可编程逻辑单元是FPGA可编程逻辑的主体。FPGA一般是基于SRAM工艺。其基本可编程逻辑单元几乎都是由查找表（LUT，Look Up Table）和寄存器（Register）组成。FPGA内部的LUT一般为4输入，主要完成纯组合逻辑功能。而内部寄存器结构相当灵活，可配置为带同步、异步复位或置位、时钟使能的触发器（FF，Flip Flop），也可配置为锁存器（Latch）。FPGA一般依赖寄存器完成同步时序逻辑设计。

比较经典的基本可编程逻辑单元的配置是一个寄存器和一个查找表。但不同厂商的寄存器和查找表的内部结构有一定差异，而且寄存器和查找表的组合模式也不同。

（1）Alerta的可编程逻辑单元通常被称为LE（Logic Element，逻辑单元），由一个Register和一个LUT组成。而Altera的大多数FPGA又将10个LE有机组合起来，构成更大的逻辑功能单元——逻辑阵列模块（LAB，Logic Array Block），LAB中除了LE还包含LE间的进位链、LAB控制信号、局部互连线资源、LUT级联链、寄存器级联链等连线和控制资源。

（2）Xilinx的可编程逻辑单元被称为Slice，由上下两部分组成。每部分都由一个Register和一个LUT组成，被称为LC（Logic Cell，逻辑单元），两个LC间有一些共用逻辑。可以完成LC之间的配合与级联。

（3）Lattice的可编程逻辑单元叫PFU（Programmable Function Unit，可编程功能单元），由8个LUT和8—9个Register组成。

一般使用器件的Register和LUT的数量衡量器件的规模比较准确。

3、内嵌RAM块：

FPGA的内嵌RAM块可以灵活配置为单端口RAM（SPRAM，Single Port RAM）,双端口RAM（DPRAM，Double Port RAM），伪双端口RAM（Pseudo DPRAM），CAM（Content Addressable Memory），FIFO（First Input First Output）等常用存储器结构。

FPGA中没有专用的ROM硬件资源，实现ROM的思路是对RAM赋予初值，并保持该初值。

CAM，即内容地址存储器。CAM这种存储器在其每个存储单元都包含了一个内嵌的比较逻辑，写入CAM的数据会和其内部存储的每一个数据进行比较，并返回与端口相同的所有内部数据的地址。

总之，RAM是一种根据地址读、写数据的存储单元，而CAM返回的是与端口数据相匹配的内部地址。

FPGA内部实现RAM、ROM、CAM、FIFO等存储结构是基于内嵌RAM块的，并根据需求自动生成相应的粘合逻辑（Glue Logic）以完成地址和片选等控制逻辑。

Xilinx常见的RAM块大小是4Kbit和18Kbit两种结构，Lattice常用的RAM块大小是9Kbit，Altera的RAM块最为灵活，一些高端器件内部同时含有两种RAM块结构，分别是M9K RAM（9Kbit），M-144K（144Kbit）。

除了RAM外，Altera、Xilinx和Lattice的FPGA还可以灵活的将LUT配置成RAM、ROM、FIFO等存储结构，这种技术被称为分布式RAM（Distributed RAM）。

4、丰富的布线资源

布线资源连通FPGA内部所有单元，连线的长度和工艺决定了信号在连线上的驱动能力和传输速度。有以下三种布线资源可供利用。

（1）全局性的专用布线资源：用来完成器件内部的全局时钟和全局复位\置位的布线。

（2）长线资源：完成器件Bank间的一些高速信号和一些第二全局时钟信号的布线。

（3）短线资源：完成基本逻辑单元之间的逻辑互联和布线。

（4）在基本逻辑单元内部还存在各式各样的布线资源和专用时钟、复位等控制信号线。

5、底层嵌入功能单元

通用程度较高的嵌入功能模块，如PLL（Phase Locked Loop），DLL（Delay Locked Loop），DSP和CPU等。

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与DLL以适应不同的需求。

Altera芯片的PLL模块分为增强型PLL（Enhanced PLL）和快速PLL（Fast PLL）。

Xilinx芯片DLL的模块名称为CLKDLL，在高端FPGA中CLKDLL的增强型模块为DCM（Digital Clock Manager，数字时钟管理模块）。

6、内嵌专用硬核

内嵌专用硬核的通用性相对较弱，不是所有FPGA器件都包含硬核。

FPGA内部也有两个阵营：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。