FPGA系统设计：基本结构

FPGA指的是现场可编程门阵列，全称为Field Programable Gate Array。

FPGA大多采用查找表（Look-up Table）架构，需要在FPGA芯片外围外接配置用的EPROM进行下载。

我们先来学习一下查找表的基本原理。

查找表的简称为LUT。本质上来说，可以把LUT看作是一个RAM。

目前的FPGA中经常使用的是有4个输入的LUT。4个输入，有16种可能性，意味着，可以把每一个LUT可以看成是一个有4位地址线的16x1的RAM。

当在集成开发环境描述好了一个逻辑电路以后，它所有的可能输出的结果就会被全部计算出来，然后把所有这些结果写入RAM。这些写入不是随便乱写的，得根据一定的地址来写入。这个地址就是输入的信号。每次输入一个信号，相当于给定了一个地址来查询RAM中对应地址的内容，然后把这个地址的内容进行输出。

下面我们来看一个有4个输入的或门的例子：

表13.1　查找表举例

众所周知，一个具有n个输入的逻辑运算，不管是与或非运算还是异或运算等等，最多只可能存在2的n次方种运算结果。对于上图的4个输入，其一共有16种输出结果。实际的逻辑电路就是通过这种方式转换成了LUT的结构。(www.xing528.com)

和CPLD类似，FPGA的基本结构也是由以下三大部分组成：

（1）二维的逻辑块阵列。这构成了器件的核心；

（2）I/O块。主要用于器件的逻辑与外界的输入和输出沟通；

（3）互连线。主要用于逻辑块之间、逻辑块与输入/输出块之间的连接。

简单地说，就可以把FPGA看作是一个以静态随机存储器（SRAM））为基础、由逻辑单元组合而成的结构。

FPGA的运行时间主要取决于查找表的路由。

相对于CPLD来说，FPGA具有大得多的有效逻辑容量密度。这就可以急剧的缩减电路板的空间，同时也显著地降低了系统的功耗。这对于系统的集成化和提高开发效率具有非常巨大的作用。

FPGA的容量比较大，包含有非常多数目的逻辑块，同时还嵌入一些特殊的集成功能器件，比如锁相环等。一般可以给FPGA外接单片机或者数字信号处理器。