簡單易懂的FPGA芯片內(nèi)部硬件介紹

FPGA（Filed programmable gate device）：現(xiàn)場可編程邏輯器件

FPGA基于查找表加觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)，采用SRAM工藝，也有采用flash或者反熔絲工藝；主要應(yīng)用高速、高密度大的數(shù)字電路設(shè)計。

FPGA由可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式塊RAM、豐富的布線資源（時鐘/長線/短線）、底層嵌入功能單元、內(nèi)嵌專用的硬核等組成；

目前市場上應(yīng)用比較廣泛的FPGA芯片主要來自Altera與Xilinx。另外還有其它廠家的一些低端芯片(Actel、Lattice)。

這里主要介紹AlteraCyclone II系列FPGA的內(nèi)部硬件結(jié)構(gòu)：

1.FPGA器件結(jié)構(gòu)

2.可編程輸入/輸出單元IOE

3.可編程邏輯單元LE

4.嵌入式塊RAM

5.布線資源

6.底層嵌入功能單元

FPGA器件結(jié)構(gòu)

Altera cyclone IV器件結(jié)構(gòu)

FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括：

1.可編程邏輯門陣列，由最小單元LE組成

2.可編程輸入輸出單元IOE

3.嵌入式RAM塊，為M4K塊，每個的存儲量為4K，掉電丟失

4.布線網(wǎng)絡(luò)

5.PLL鎖相環(huán)，EP4CE6E22C8N最大的倍頻至250MHz,這也是該芯片的最大工作

可編程輸入/輸出單元IOE

可編程I/O，可配置成OC門、三態(tài)門、雙向IO、單端／差分等；支持各種不同的I/O標準：LVTTL、LVCOMS、SSTL、LVDS、HSTL、PCI等；

Altera 器件IOE結(jié)構(gòu)

Altera器件的輸入輸出結(jié)構(gòu)：可配置成三態(tài)、輸入／輸出、雙向IO

Altera器件中cyclone系列中的IOE結(jié)構(gòu)是基本的輸入、輸出、使能的觸發(fā)器結(jié)構(gòu)。

可編程邏輯單元LE

基本可編程邏輯單元LE由查找表(Look up table)觸發(fā)器(FF)組成，而LE是組成LAB的最小單元；

LUT一般是4輸入查找表，高端器件（xilinx v5）采用LUT-6結(jié)構(gòu)；LUT可看成4位地址線的16x1的RAM 結(jié)構(gòu)。

FF是可編程的觸發(fā)器，可配置成同步/異步復位、同步/異步置位、使能、裝載等功能觸發(fā)器。

可編程邏輯塊：

Altera:LAB

Xilinx:CLB

Xilinx CLB由四個SLICE構(gòu)成；而Altera的LAB由16個/8個LE構(gòu)成；

基本邏輯單元LE/SLICE：

Altera:LE

Xilinx:SLICE

xilinx 為SLICE:包括兩個LUT-4/兩個FF;

altera為LE:包括一個LUT-4/一個FF;

嵌入式塊RAM

嵌入式塊RAM可配置單/雙端口RAM、偽雙端口RAM、ROM、FIFO、SHIFT、CAM等；不同廠家的塊RAM大小不一樣：

Altera：M512、M4K M4K、M-RAM(512K)；

Xilinx：18kbit；

Lattic：9kbit；

Altera：M4K：

布線資源

全局布線資源：用于全局時鐘/全局復位/全局置位布線；

長線資源：用于BANK或者嵌入式功能單元的高速信號或者第二全局時鐘的布線；

短線資源：用于其中邏輯單元間的邏輯互聯(lián)與布線；

全局布線資源：

全局時鐘樹：

底層嵌入式功能塊

主要是指PLL/DPLL、DCM、DSP48、乘法器、嵌入式硬核/軟核；

Xilinx：DCM、DSP48/48E、DPLL、Multiplier等

Altera：PLL/EPLL/FPLL、DSPcore等；

Multiplier結(jié)構(gòu)

PLL/DCM：嵌入式鎖相環(huán)

Altera:PLL

Xilinx:DCM

Altera的Cyclone II器件最多有四個PLL，分布在芯片四個角；需要主要的是Altera的PLL是模擬鎖相環(huán)，在電源／地方面要做考慮。

Xilinx的spatan-3器件最多有四個DCM，也是分布在芯片四個角。

兩者的區(qū)別：Altera的PLL可支持較低的輸入頻率，可Xilinx的DCM支持的最低鎖相頻率為24/32MHz；但Xilinx的高端器件Virtex-5的DPLL可達到很低的輸入頻率。

內(nèi)嵌專用硬核

指高速串行收發(fā)器；GMAC、SERDES、PCIe等；

Xilinx：GMAC、SERDES、PCI、GTX、GRX

Atera：GMAC、SERDES、PCIe、SPI.4/SFI.5