FPGA入門-查找表結(jié)構(gòu)和乘積項(xiàng)結(jié)構(gòu)

查找表（Look-Up-Table)簡稱為LUT，LUT本質(zhì)上就是一個(gè)RAM。目前FPGA中多使用4輸入的LUT，所以每一個(gè)LUT可以看成一個(gè)有4位地址線的16x1的RAM。當(dāng)用戶通過原理圖或HDL語言描述了一個(gè)邏輯電路以后，PLD/FPGA開發(fā)軟件會自動(dòng)計(jì)算邏輯電路的所有可能的結(jié)果，并把結(jié)果事先寫入RAM,這樣，每輸入一個(gè)信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對應(yīng)的內(nèi)容，然后輸出即可。 ? ? 下面是一個(gè)4輸入與門的例子，

實(shí)際邏輯電路? ?LUT的實(shí)現(xiàn)方式? ? ? ?? ? a,b,c,d 輸入 ? ? 邏輯輸出? ?地址? ?RAM中存儲的內(nèi)容?? ? 0000 ? ? 0? ?0000? ?0? ?0001? ?0? ?0001? ?0? ?....? ?0? ?...? ?0? ?1111? ?1? ?1111? ?1 ? 二.PLDFPGA基于查找表（LUT)的FPGA的結(jié)構(gòu)? ? 我們看一看xilinx Spartan-II的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如下圖： ?

xilinx Spartan-II 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)? ?Slices結(jié)構(gòu) ? ? Spartan-II主要包括CLBs，I/O塊，RAM塊和可編程連線（未表示出）。在spartan-II中，一個(gè)CLB包括2個(gè)Slices,每個(gè)slices包括兩個(gè)LUT，兩個(gè)觸發(fā)器和相關(guān)邏輯。Slices可以看成是SpartanII實(shí)現(xiàn)邏輯的最基本結(jié)構(gòu) (xilinx其他系列，如SpartanXL,Virtex的結(jié)構(gòu)與此稍有不同，具體請參閱數(shù)據(jù)手冊） ? ? ? altera的FLEX/ACEX等芯片的結(jié)構(gòu)如下圖：

altera FLEX/ACEX 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu) ? ?

邏輯單元（LE）內(nèi)部結(jié)構(gòu) ? FLEX/ACEX的結(jié)構(gòu)主要包括LAB，I/O塊，RAM塊（未表示出）和可編程行/列連線。在FLEX/ACEX中，一個(gè)LAB包括8個(gè)邏輯單元（LE）,每個(gè)LE包括一個(gè)LUT，一個(gè)觸發(fā)器和相關(guān)的相關(guān)邏輯。LE是FLEX/ACEX芯片實(shí)現(xiàn)邏輯的最基本結(jié)構(gòu)(altera其他系列，如APEX的結(jié)構(gòu)與此基本相同，具體請參閱數(shù)據(jù)手冊）? ? 二.PLDFPGA 查找表結(jié)構(gòu)的FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)原理 ? 我們還是以這個(gè)電路的為例：

A,B,C,D由FPGA芯片的管腳輸入后進(jìn)入可編程連線，然后作為地址線連到到LUT，LUT中已經(jīng)事先寫入了所有可能的邏輯結(jié)果，通過地址查找到相應(yīng)的數(shù)據(jù)然后輸出，這樣組合邏輯就實(shí)現(xiàn)了。該電路中D觸發(fā)器是直接利用LUT后面D觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)。時(shí)鐘信號CLK由I/O腳輸入后進(jìn)入芯片內(nèi)部的時(shí)鐘專用通道，直接連接到觸發(fā)器的時(shí)鐘端。觸發(fā)器的輸出與I/O腳相連，把結(jié)果輸出到芯片管腳。這樣PLD就完成了圖3所示電路的功能。（以上這些步驟都是由軟件自動(dòng)完成的，不需要人為干預(yù)） ? ? 這個(gè)電路是一個(gè)很簡單的例子，只需要一個(gè)LUT加上一個(gè)觸發(fā)器就可以完成。對于一個(gè)LUT無法完成的的電路，就需要通過進(jìn)位邏輯將多個(gè)單元相連，這樣FPGA就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯。 ? ? 由于LUT主要適合SRAM工藝生產(chǎn)，所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工藝的，而SRAM工藝的芯片在掉電后信息就會丟失，一定需要外加一片專用配置芯片，在上電的時(shí)候，由這個(gè)專用配置芯片把數(shù)據(jù)加載到FPGA中，然后FPGA就可以正常工作，由于配置時(shí)間很短，不會影響系統(tǒng)正常工作。也有少數(shù)FPGA采用反熔絲或Flash工藝，對這種FPGA，就不需要外加專用的配置芯片。 ? ? 三.PLDFPGA 其他類型的FPGA和PLD ? ? ?隨著技術(shù)的發(fā)展，在2004年以后，一些廠家推出了一些新的PLD和FPGA，這些產(chǎn)品模糊了PLD和FPGA的區(qū)別。例如Altera最新的MAXII系列PLD，這是一種基于FPGA（LUT）結(jié)構(gòu)，集成配置芯片的PLD，在本質(zhì)上它就是一種在內(nèi)部集成了配置芯片的FPGA，但由于配置時(shí)間極短，上電就可以工作，所以對用戶來說，感覺不到配置過程，可以傳統(tǒng)的PLD一樣使用，加上容量和傳統(tǒng)PLD類似，所以altera把它歸作PLD。還有像Lattice的XP系列FPGA，也是使用了同樣的原理，將外部配置芯片集成到內(nèi)部,在使用方法上和PLD類似，但是因?yàn)槿萘看?，性能和傳統(tǒng)FPGA相同，也是LUT架構(gòu)，所以Lattice仍把它歸為FPGA。 ? ? ? 四.PLDFPGA基于乘積項(xiàng)（Product-Term)結(jié)構(gòu)CPLD ? CPLD多是基于乘積項(xiàng)（Product-Term)的結(jié)構(gòu)。采用這種結(jié)構(gòu)的CPLD芯片有：Altera的MAX7000，MAX3000系列（EEPROM工藝），Xilinx的XC9500系列（Flash工藝）和Lattice，Cypress的大部分產(chǎn)品（EEPROM工藝） ? ? ? ? 我們先看一下這種CPLD的總體結(jié)構(gòu)（以MAX7000為例，其他型號的結(jié)構(gòu)與此都非常相似）： ? ??

圖1 基于乘積項(xiàng)的CPLD內(nèi)部結(jié)構(gòu) ? 這種CPLD可分為三塊結(jié)構(gòu)：宏單元（Marocell)，可編程連線（PIA)和I/O控制塊。宏單元是CPLD的基本結(jié)構(gòu)，由它來實(shí)現(xiàn)基本的邏輯功能。圖1中蘭色部分是多個(gè)宏單元的集合（因?yàn)楹陠卧^多，沒有一一畫出）?？删幊踢B線負(fù)責(zé)信號傳遞，連接所有的宏單元。I/O控制塊負(fù)責(zé)輸入輸出的電氣特性控制，比如可以設(shè)定集電極開路輸出，擺率控制，三態(tài)輸出等。圖1 左上的INPUT/GCLK1，INPUT/GCLRn，INPUT/OE1，INPUT/OE2 是全局時(shí)鐘，清零和輸出使能信號，這幾個(gè)信號有專用連線與PLD中每個(gè)宏單元相連，信號到每個(gè)宏單元的延時(shí)相同并且延時(shí)最短。 ? 宏單元的具體結(jié)構(gòu)見下圖：

圖2 宏單元結(jié)構(gòu) ? 左側(cè)是乘積項(xiàng)陣列，實(shí)際就是一個(gè)與或陣列，每一個(gè)交叉點(diǎn)都是一個(gè)可編程熔絲，如果導(dǎo)通就是實(shí)現(xiàn)“與”邏輯。后面的乘積項(xiàng)選擇矩陣是一個(gè)“或”陣列。兩者一起完成組合邏輯。圖右側(cè)是一個(gè)可編程D觸發(fā)器，它的時(shí)鐘，清零輸入都可以編程選擇，可以使用專用的全局清零和全局時(shí)鐘，也可以使用內(nèi)部邏輯（乘積項(xiàng)陣列）產(chǎn)生的時(shí)鐘和清零。如果不需要觸發(fā)器，也可以將此觸發(fā)器旁路，信號直接輸給PIA或輸出到I/O腳。 ?

審核編輯 ：李倩

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