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        FPGA工作原理

        2018-9-11 18:48| 編輯:電工學習網| 查看: 5571| 評論: 0

        摘要:   如前所述,FPGA是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為ASIC領域中的一種半定制電路而出現的,即解決了定制電路的不足,又克服了原有可編程器件門電路有限的缺點! ∮捎贔PGA ...
          如前所述,FPGA是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為ASIC領域中的一種半定制電路而出現的,即解決了定制電路的不足,又克服了原有可編程器件門電路有限的缺點。
          由于FPGA需要被反復燒寫,它實現組合邏輯的基本結構不可能像ASIC那樣通過固定的與非門來完成,而只能采用一種易于反復配置的結構。查找表可以很好地滿足這一要求,目前主流FPGA都采用了基于SRAM工藝的查找表結構,也有一些軍品和宇航級FPGA采用Flash或者熔絲與反熔絲工藝的查找表結構。通過燒寫文件改變查找表內容的方法來實現對FPGA的重復配置。
          根據數字電路的基本知識可以知道,對于一個n輸入的邏輯運算,不管是與或非運算還是異或運算等等,最多只可能存在2n種結果。所以如果事先將相應的結果存放于一個存貯單元,就相當于實現了與非門電路的功能。FPGA的原理也是如此,它通過燒寫文件去配置查找表的內容,從而在相同的電路情況下實現了不同的邏輯功能。
          查找表(Look-Up-Table)簡稱為LUT,LUT本質上就是一個RAM。目前FPGA中多使用4輸入的LUT,所以每一個LUT可以看成一個有4位地址線的 的RAM。 當用戶通過原理圖或HDL語言描述了一個邏輯電路以后,PLD/FPGA開發軟件會自動計算邏輯電路的所有可能結果,并把真值表(即結果)事先寫入RAM,這樣,每輸入一個信號進行邏輯運算就等于輸入一個地址進行查表,找出地址對應的內容,然后輸出即可。
          下面給出一個4與門電路的例子來說明LUT實現邏輯功能的原理。
          例1:給出一個使用LUT實現4輸入與門電路的真值表。
          表1 4輸入與門的真值表


          從中可以看到,LUT具有和邏輯電路相同的功能。實際上,LUT具有更快的執行速度和更大的規模。
          由于基于LUT的FPGA具有很高的集成度,其器件密度從數萬門到數千萬門不等,可以完成極其復雜的時序與邏輯組合邏輯電路功能,所以適用于高速、高密度的高端數字邏輯電路設計領域。其組成部分主要有可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、內嵌SRAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元、內嵌專用單元等,主要設計和生產廠家有Xilinx、Altera、Lattice、Actel、Atmel和QuickLogic等公司,其中最大的是Xilinx、Altera、Lattice三家。
          如前所述,FPGA是由存放在片內的RAM來設置其工作狀態的,因此工作時需要對片內RAM進行編程。用戶可根據不同的配置模式,采用不同的編程方式。FPGA有如下幾種配置模式:
          并行模式:并行PROM、Flash配置FPGA;
          主從模式:一片PROM配置多片FPGA;
          串行模式:串行PROM配置FPGA;
          外設模式:將FPGA作為微處理器的外設,由微處理器對其編程。
          目前,FPGA市場占有率最高的兩大公司Xilinx和Altera生產的FPGA都是基于SRAM工藝的,需要在使用時外接一個片外存儲器以保存程序。上電時,FPGA將外部存儲器中的數據讀入片內RAM,完成配置后,進入工作狀態;掉電后FPGA恢復為白片,內部邏輯消失。這樣FPGA不僅能反復使用,還無需專門的FPGA編程器,只需通用的EPROM、PROM編程器即可。Actel、QuickLogic等公司還提供反熔絲技術的FPGA,只能下載一次,具有抗輻射、耐高低溫、低功耗和速度快等優點,在軍品和航空航天領域中應用較多,但這種FPGA不能重復擦寫,開發初期比較麻煩,費用也比較昂貴。Lattice是ISP技術的發明者,在小規模PLD應用上有一定的特色。早期的Xilinx產品一般不涉及軍品和宇航級市場,但目前已經有Q Pro-R等多款產品進入該類領域。

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