FPGA芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)解析(1)

?FPGA芯片內(nèi)部邏輯

a. Xilinx FPGA的可配置邏輯塊

以Xilinx主流的7系列為例，一顆FPGA內(nèi)部通常都會有數(shù)千到數(shù)十萬不等的可配置邏輯塊（Configurable Logic Block，簡稱CLB）

呈矩陣排布的CLB就構(gòu)成了最基本的FPGA邏輯資源的架構(gòu)

Xilinx 7系列的可配置邏輯塊可以有效的支持以下特性

使用6輸入查找表技術(shù)

可選的2個5輸入查找表功能

可實現(xiàn)分布式RAM和移位寄存器功能

用于運(yùn)算功能的專用高速進(jìn)位鏈

支持資源高利用率的豐富復(fù)用開關(guān)

FPGA內(nèi)部豐富的可編程邏輯塊

a.1 Xilinx FPGA的可配置邏輯塊——CLB內(nèi)部結(jié)構(gòu)與Slice

從微觀角度看，CLB內(nèi)部主要由2個更小的單位Slice所組成

每個Slice都有獨(dú)立的高速進(jìn)位鏈以及獨(dú)立的布線通道連接到矩陣開關(guān)，通過矩陣開關(guān)可以實現(xiàn)Slice與FPGA大布線池之間的靈活編程

每個slice單元則包含了以下更小的功能塊

4個邏輯功能發(fā)生器（或查找表）

8個存儲單元（或觸發(fā)器）

功能豐富的復(fù)用開關(guān)

進(jìn)位鏈

CLB內(nèi)部結(jié)構(gòu)

a.2 Xilinx FPGA的可配置邏輯塊——Slice內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元

slice內(nèi)部2個非常基本且重要的結(jié)構(gòu)單元

6輸入查找表（Look-up table，LUT）：用于執(zhí)行最基本的邏輯操作

觸發(fā)器（Flip-Flop，F(xiàn)F）：用于存儲LUT操作結(jié)果的寄存器單元

對于Xilinx的7系列FPGA器件所使用的6輸入查找表，通常也可以配置實現(xiàn)以下不同的應(yīng)用功能

任何用戶定義的6輸入布爾運(yùn)算功能

任何用戶定義的2個5輸入布爾運(yùn)算功能，前提是2個輸出分別對應(yīng)的5輸入是共用的

任何用戶定義的2個3輸入或少于3輸入的布爾運(yùn)算功能

a.3 Xilinx FPGA的可配置邏輯塊——觸發(fā)器

觸發(fā)器也是FPGA內(nèi)部基本的存儲單元

觸發(fā)器單元通常用于配對LUT進(jìn)行邏輯流水線處理和數(shù)據(jù)存儲

基本的觸發(fā)器結(jié)構(gòu)包括了一個數(shù)據(jù)輸入，一個時鐘輸入，一個時鐘使能信號，一個復(fù)位信號和一個數(shù)據(jù)輸出

觸發(fā)器工作原理

數(shù)據(jù)輸入端口上的任何值在每個時鐘上升沿將被鎖存并送到輸出端口

時鐘使能信號是為了使觸發(fā)器能夠連續(xù)多個時鐘周期保持某個固定電平值

時鐘使能信號拉高時，新的數(shù)據(jù)才會在時鐘上升沿被鎖存到數(shù)據(jù)輸出端口上

觸發(fā)器結(jié)構(gòu)

b. Xilinx FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

b.1Xilinx FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)——IO塊、布線池和CLB

圍繞在CLB周圍豐富的行、列走線我們稱之為布線池，它用于銜接FPGA的各個CLB以及其它相關(guān)的資源

在FPGA芯片四周的小矩形以及延伸出去的短線，則是FPGA和外部芯片接口的IO塊的示意

IO塊、布線池和CLB

b.2Xilinx FPGA的內(nèi)部結(jié)構(gòu)——豐富的其它FPGA資源

以成塊出現(xiàn)的FPGA內(nèi)嵌存儲器（塊RAM）

用于產(chǎn)生不同時鐘頻率的鎖相環(huán)（PLL時鐘發(fā)生器）以及相應(yīng)的時鐘布線資源

高速串行收發(fā)器

外部存儲器控制器（硬核IP）

用于實現(xiàn)數(shù)字信號處理的乘累加模塊（DSP Slice）

模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊（Xilinx FPGA器件特有的Analog-to-Digital Converter，簡稱XADC）