什么是FPGA芯片？FPGA芯片的工作原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)

一、什么是FPGA芯片？

FPGA(Field Programmable Gate Array)，中文名為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，是一種可以被編程或重新編程的集成電路芯片，它可以通過(guò)編程來(lái)改變它的功能。它由許多邏輯單元(邏輯塊或LUT)和可編程連接組成。這種可編程邏輯芯片在電子系統(tǒng)中提供了重要的功能，例如數(shù)字信號(hào)處理、視頻處理、通信和控制。與應(yīng)用特定集成電路(ASIC)相比，F(xiàn)PGA可以實(shí)現(xiàn)更高的靈活性、更短的生產(chǎn)周期以及更小的設(shè)計(jì)成本。

二、FPGA芯片的工作原理

FPGA芯片通過(guò)可編程邏輯單元來(lái)實(shí)現(xiàn)不同功能電路的邏輯連接，而不需要進(jìn)行物理上的改變。FPGA芯片通常由五個(gè)部分構(gòu)成，它們分別是：

CLB(Configurable Logic Block)可編程邏輯塊，用于實(shí)現(xiàn)邏輯功能。

IOB(Input Output Block)輸入輸出塊，用于數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的傳輸與接受。

RAM(Random Access Memory)隨機(jī)存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)程序和數(shù)據(jù)。

PLL(Phase Locked Loop)鎖相環(huán)，用于時(shí)鐘信號(hào)的控制。

Routing 線路連接通道，用于將輸入輸出塊、邏輯塊和存儲(chǔ)器互相連接。

FPGA芯片的編程方式通過(guò)控制序列來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯單元之間的互相連接?？刂菩蛄锌梢曰谔囟ǖ能浖脚_(tái)或量化模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，也可以使用硬件描述語(yǔ)言(VHDL)等編程語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

FPGA芯片的工作原理是，邏輯電路存儲(chǔ)在FPGA芯片中，當(dāng)外部輸入信號(hào)到達(dá)后，這些信號(hào)會(huì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理電路，然后送入FPGA的內(nèi)部邏輯電路中進(jìn)行處理。在內(nèi)部邏輯電路中，各種復(fù)雜計(jì)算和邏輯操作被進(jìn)行并輸出處理后的結(jié)果。

FPGA芯片可以被編程來(lái)執(zhí)行許多不同的邏輯操作。這是通過(guò)把邏輯和連接交叉編織來(lái)實(shí)現(xiàn)的。FPGA中的邏輯元件是邏輯塊或LUT，而連接元件類似于可編程開(kāi)關(guān)或 觸發(fā)器。

在FPGA芯片中，設(shè)計(jì)者可以將不同的邏輯塊與不同的輸入連接。每個(gè)邏輯塊的輸出可以連接到其他邏輯塊或輸出管腳。連接具有可編程功能，這意味著可以選擇是否將特定的邏輯塊連在一起或?qū)⑵鋽嚅_(kāi)。

一旦FPGA被編程，它就可以在電路中進(jìn)行邏輯操作。例如，可以將邏輯塊的輸出結(jié)果用作相應(yīng)電路的輸入。在這種情況下，輸入將被轉(zhuǎn)換為FPGA內(nèi)部的電信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，并將結(jié)果傳遞回輸出端口。

三、FPGA芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

FPGA芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常由計(jì)算單元、內(nèi)部存儲(chǔ)器、輸入輸出接口、邏輯單元和時(shí)鐘管理單元構(gòu)成。

1.計(jì)算單元

FPGA芯片中最重要的計(jì)算單元是邏輯塊(Logic Element，LE)，也稱可編程邏輯單元(Programmable Logic Cell，PLC)。邏輯塊主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯電路中的邏輯功能和控制。

邏輯塊的核心部分包括查找表(LUT)和D觸發(fā)器。查找表是邏輯塊的計(jì)算單元，它由多個(gè)輸入和一個(gè)輸出組成，可以幫助實(shí)現(xiàn)各種邏輯功能。 D觸發(fā)器用于存儲(chǔ)狀態(tài)和時(shí)序控制。

2.內(nèi)部存儲(chǔ)器

FPGA芯片中的內(nèi)部存儲(chǔ)器包括寄存器，隨機(jī)存儲(chǔ)器模塊(RAM)，以及快速Ethernet和PCIE堆棧。

寄存器主要用來(lái)存儲(chǔ)邏輯塊的狀態(tài)和控制信號(hào)。RAM則用來(lái)存儲(chǔ)與內(nèi)存相關(guān)的數(shù)據(jù)和程序，它可以通過(guò)FPGA的外部接口訪問(wèn)和修改。

3.輸入輸出接口

FPGA芯片的輸入輸出接口包括輸入輸出塊(IOB)、通用可編程互連資源(GPP)和外部接口資源(EMIF)。

輸入輸出塊主要用來(lái)與外部環(huán)境進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)的輸入輸出。GPP是FPGA芯片中常見(jiàn)的通信方式之一，可以連接多個(gè)不同的FPGA芯片。EMIF則可以連接多種存儲(chǔ)器和處理單元，以擴(kuò)展FPGA芯片的應(yīng)用范圍和功能。

4.邏輯單元(LUT)

邏輯單元(LUT)是FPGA芯片內(nèi)最重要的部分，也是最常用的部分。LUT可以存儲(chǔ)邏輯表達(dá)式，并且每個(gè)LUT通常包含4到6個(gè)輸入和一個(gè)輸出。FPGA芯片通常會(huì)有數(shù)千個(gè)LUT，這使得它們可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯運(yùn)算。

5.時(shí)鐘管理單元

時(shí)鐘管理單元用于生成和管理時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘信號(hào)非常重要，因?yàn)樗峭诫娐分械幕A(chǔ)。時(shí)鐘管理單元負(fù)責(zé)生成和分配這些信號(hào)。

四、計(jì)劃和設(shè)計(jì)FPGA

計(jì)劃和設(shè)計(jì)FPGA芯片需要多種工具和技能。FPGA設(shè)計(jì)必須基于特定的芯片架構(gòu)，需要設(shè)計(jì)者熟練掌握硬件描述語(yǔ)言(HDL)，如VHDL和Verilog。設(shè)計(jì)者還需要使用CAD工具來(lái)實(shí)現(xiàn)邏輯設(shè)計(jì)和功能驗(yàn)證。

在設(shè)計(jì)一個(gè)FPGA芯片時(shí)，必須考慮到許多因素，例如電路優(yōu)化，功耗和時(shí)鐘速度。另外，必須為特定的應(yīng)用程序編寫(xiě)和優(yōu)化適當(dāng)?shù)碾娐贰＿@可能需要使用高級(jí)設(shè)計(jì)工具和熟練的工程師。

五、總結(jié)

FPGA芯片提供了許多重要的功能和應(yīng)用程序，這些功能和應(yīng)用程序可以通過(guò)編程來(lái)改變。它們由許多邏輯單元和可編程連接組成，并使用多種不同的工具和技術(shù)進(jìn)行計(jì)劃和設(shè)計(jì)。FPGA的使用在許多不同的技術(shù)領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用，并且在未來(lái)的發(fā)展中將繼續(xù)發(fā)揮重要作用。