第三章FPGA结构与工作原理新
fpga寄存器的工作原理
fpga寄存器的工作原理FPGA寄存器是在FPGA芯片内部用来存储数据的硬件单元。
FPGA寄存器在数字电路设计中具有非常重要的作用，下面我们将详细地介绍FPGA寄存器的工作原理。
1. FPGA的架构首先，需要了解FPGA芯片的基本架构。
FPGA芯片由可编程逻辑单元（PL）和可编程输入输出单元（IO）组成。
PL是由LUT（Lookup Table）和触发器（flip-flop）组成的逻辑单元，而IO则负责与外部设备进行数据的输入输出。
在FPGA的PL中，可编程器件的逻辑工作原理是先将设计逻辑翻译成一个数码逻辑网表，最后将这个网表解析成逻辑单元，得到FPGA的物理实现。
2. FPGA寄存器的结构在FPGA中，触发器是用来存储数据的最基本的单元，而FPGA寄存器就是由触发器组成的。
FPGA寄存器的结构和普通的寄存器类似，由一个存储单元和一个控制单元构成。
存储单元由触发器构成，控制单元则由时钟信号、清零信号和读写控制信号等组成。
3. FPGA寄存器的工作原理FPGA寄存器的工作原理是将存储单元的数据进行输入输出。
在读写数据时，需要对控制单元进行相应的操作，以下是具体的工作原理：当写数据时，需要将数据输入到存储单元。
此时，将逻辑电路输出的数据信号通过寄存器的数据输入端口，输入到寄存器的存储单元中。
同时，控制单元接收到写数据的信号后，将数据进行缓存，等待写操作的触发。
（2）清零数据当需要清零存储单元中的数据时，可以通过发送清零信号来实现。
清零信号会将存储单元中的数据全部清零。
（3）读数据当需要读取存储单元中的数据时，需要通过读数据的信号来触发操作。
此时，控制单元将存储单元中的数据读出，并输出到逻辑电路中。
（4）时钟信号在FPGA的系统中，时钟信号扮演着至关重要的角色。
时钟信号会周期性地发出，以确定系统中的所有操作的时间。
当时钟信号发出时，控制单元会执行相应的操作，读写存储单元中的数据。
4. FPGA寄存器的特性FPGA寄存器具有以下几个特性：（1）可重置FPGA寄存器中的数据可以通过外部信号进行清零操作，这意味着FPGA寄存器具有可重置的特性。
FPGA芯片结构工作原理与软核硬核固核详解
FPGA芯片结构工作原理与软核硬核固核详解FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，它以其灵活性和可配置性在数字电路设计中广泛应用。
FPGA的结构和工作原理涉及到软核、硬核和固核等概念，下面将对这些内容进行详解。
首先，我们来看FPGA的结构。
FPGA通常包含三个主要的部分：可编程逻辑单元（PLU）、可编程的开关矩阵（Switch Matrix）和输入/输出资源（IOs）。
PLU是FPGA的核心部分，它由可编程的逻辑单元（Look-Up Tables，LUTs）和触发器（Flip-Flops）组成。
LUTs可以通过编程来实现特定逻辑功能，而Flip-Flops用于存储状态信息。
Switch Matrix 用于连接PLU中的逻辑单元，实现不同逻辑单元之间的信号传输。
IOs用于与外部设备进行数据输入和输出。
FPGA的工作原理基于可编程逻辑单元和开关矩阵的组合。
开发者可以使用硬件描述语言（如VHDL或Verilog）编写逻辑电路的描述，并通过设计软件将其映射到FPGA上。
软件工具会将逻辑电路的描述翻译成FPGA的配置位流（Configuration Bitstream），然后通过JTAG或其他方式将配置位流加载到FPGA中。
一旦配置完成，FPGA开始执行逻辑电路的功能，通过开关矩阵和PLU来实现信号的传输和处理。
通过重新编程可以改变FPGA中的逻辑电路功能，实现动态的功能更新。
接下来，我们来介绍软核、硬核和固核的概念。
软核（soft core）是指在FPGA芯片上实现的软件模拟的处理器。
软核是通过编程实现的，不同的开发者可以根据自己的需求来编写软核的代码。
软核具有灵活性，可以根据应用的要求进行修改和定制，但其性能通常低于硬核。
硬核（hard core）是指在FPGA芯片设计过程中由厂商提供的硬件IP核。
硬核是由硬件描述语言编写的，具有高性能和低功耗的特点。
fpga查找表结构的工作原理
fpga查找表结构的工作原理
FPGA查找表是一种常用的数字逻辑电路结构，其工作原理如下：首先，FPGA查找表由多个输入端和一个输出端组成，每个输入端都可以取0或1两种状态。
查找表的内部结构是一个由多个存储单元组成的数组，每个存储单元中存储着一个布尔函数的值。
当输入信号到达查找表时，每个输入信号的状态会被映射到相应的存储单元上，存储单元中存储的布尔函数的值就会被取出，并根据输入信号的状态进行逻辑运算。
最终的运算结果就是查找表的输出信号。
例如，一个2输入的查找表，其内部结构为一个2x1的数组，存储单元中的布尔函数如下：
00 -> 1
01 -> 0
10 -> 0
11 -> 1
当输入信号为00时，查找表的输出信号为1；当输入信号为01或10时，输出信号为0；当输入信号为11时，输出信号为1。
FPGA查找表的优点是其具有较快的运算速度和灵活的配置能力。
不过，查找表的大小是有限的，因此在设计复杂的数字电路时，需要考虑使用多个查找表并联或级联的方式来实现。
- 1 -。
FPGA与CPLD的结构原理
FPGA与CPLD的结构原理FPGA结构原理：FPGA是一种可重构器件，它由大量的可编程逻辑单元（Logic Element，LE）组成，每个LE都包含查找表（Look-Up Table，LUT）、寄存器以及可编程连接资源。
FPGA的结构原理可以分为三个关键组件：查找表、可编程连接资源和I/O资源。
1.查找表：FPGA中的查找表是其最基本的单元，通常由4-6个输入信号和1个或多个输出信号组成。
查找表中包含一个存储器单元和一组可编程拨码开关。
存储器单元中存储了一组真值表，根据输入信号的组合来选择对应的输出信号。
这种基于查找表的逻辑实现既灵活又高效。
2.可编程连接资源：FPGA中的连接资源是一个非常重要的部分，它可以实现片上资源之间的任意连接。
通常，FPGA中的连接资源采用可编程互连点（Programmable Interconnect Point，PIP）的方式实现。
每个PIP可以通过可编程电路来控制是否对其中一对逻辑单元进行连接。
3.I/O资源：FPGA的I/O资源用于与外部世界进行交互。
每个I/O资源通常包含输入/输出引脚、输入/输出缓冲器以及可编程的电平转换电路。
通过对I/O资源的编程，可以根据实际需求来设置引脚的输入/输出电平以及输出驱动能力。
CPLD结构原理：CPLD是一种较小规模的可编程逻辑器件，它通常由若干个宏单元（Macrocell）组成，每个宏单元都包含与FPGA相似的逻辑资源和可编程连接资源。
CPLD的结构原理可以分为三个关键组件：宏单元、可编程连接资源和I/O资源。
1.宏单元：宏单元是CPLD的核心单元，通常由多个查找表、寄存器和触发器组成。
宏单元中的查找表用于实现逻辑功能，寄存器用于存储中间结果或控制信号，触发器用于实现时序逻辑。
一个CPLD可以包含多个宏单元，各个宏单元可以通过可编程连接资源相互连接。
2.可编程连接资源：CPLD中的可编程连接资源通常采用矩阵交叉开关（Crosspoint Switch）的方式实现。
FPGA结构与原理
FPGA结构与原理FPGA（现场可编程门阵列）是一种可以通过编程配置的硬件设备，可以实现数字逻辑电路的功能。
它使用大量的逻辑门、寄存器和可编程的连线资源，可以实现各种复杂的数字逻辑电路，如处理器、通信接口、图像处理等。
本文将介绍FPGA的结构与原理。
一、FPGA的结构FPGA的主要结构由三个部分组成：逻辑单元（Logic Element，LE）、可编程内部连接资源和输入/输出资源。
1. 逻辑单元（Logic Element，LE）逻辑单元是FPGA的基本计算单元，用于实现数字逻辑功能。
每个逻辑单元由一个或多个可编程逻辑元素（PLE）组成，PLE包括逻辑门（如与门、或门、非门等）、选择器和触发器（如D触发器或JK触发器）。
逻辑单元中的PLE经过编程配置后，可以实现各种逻辑功能，如布尔运算、复杂的控制逻辑等。
2.可编程内部连接资源可编程内部连接资源是FPGA中用于连接逻辑单元的资源，通过编程配置可以将逻辑单元连接起来。
它通常由多层的可编程互连网络构成，可以通过编程来控制信号的传输路径。
内部连接资源可以实现各种逻辑电路的连接，如寄存器、加法器、乘法器、存储器等。
3.输入/输出资源输入/输出资源用于与FPGA外部环境进行通信，包括输入和输出引脚以及输入/输出接口电路。
FPGA可以通过输入引脚接收外部数据，并将输出数据通过输出引脚发送到外部环境。
输入/输出引脚可以通过编程配置来控制数据的传输方向和数据的格式。
二、FPGA的原理FPGA的工作原理可以概括为编程配置、逻辑运算和时序控制。
1.编程配置FPGA的编程配置是将逻辑单元和可编程内部连接资源设置为特定的状态，使其能够实现特定的逻辑功能。
编程配置通常使用设计工具通过硬件描述语言（HDL）或图形化界面进行。
编程配置可以通过厂商提供的评估板、开发工具或JTAG接口等进行。
2.逻辑运算FPGA的逻辑运算是通过逻辑单元实现的。
逻辑单元可以根据编程配置的逻辑功能来执行相应的逻辑运算。
FPGA工作原理
FPGA工作原理
FPGA（现场可编程门阵列）是一种基于可靠硬件的集成电路。
与其他集成电路（如ASIC）相比，它提供了更大的灵活性和
可编程性。
FPGA的工作原理主要基于其内部的可编程逻辑单元（PL）和可编程连接资源（CLB）。
PL由一系列可编程的逻辑门组成，可以根据需要进行任意配置，从而实现不同的逻辑功能。
CLB 是一组可编程的互连资源，可以通过将逻辑单元之间的线缆连接起来，将它们相互链接以实现所需的连接关系。
FPGA的配置是通过加载一个特定的位流文件来完成的。
该文
件描述了在FPGA中应该配置的逻辑功能和连接关系。
当位
流文件加载到FPGA时，PL和CLB中的逻辑门和连接资源被
相应地配置。
通过重新加载不同的位流文件，FPGA可以实现不同的功能和
连接配置。
这使得FPGA可以应对不同的应用需求，而无需
进行硬件级的更改。
FPGA的可编程性使得它在许多应用领域中广泛使用。
例如，
它可以用于数字信号处理、计算加速、通信协议处理等。
此外，在原型开发和验证过程中，FPGA也经常被用作快速验证和验
证的平台。
总结起来，FPGA通过可编程逻辑单元和可编程连接资源的配置，实现了不同的逻辑功能和连接关系。
通过加载不同的位流
文件，FPGA可以在不同的应用场景中灵活适应需求，具有广泛的应用前景。
FPGA原理及芯片结构介绍
FPGA原理及芯片结构介绍FPGA (Field-Programmable Gate Array)是一种可编程逻辑芯片，其原理和芯片结构是现代电子设备中非常重要的一部分。
本文将介绍FPGA的原理和芯片结构。
FPGA的原理是基于集成电路技术，它利用可编程逻辑单元和可编程互连资源来实现任意逻辑功能的构建。
FPGA的核心是一个有大量逻辑单元的矩阵，每个逻辑单元可以执行各种逻辑操作。
这些逻辑单元通过互连资源连接在一起，以实现特定的功能。
与固定逻辑电路不同，FPGA的逻辑单元和互连资源可以根据需要进行编程，从而实现不同的设计。
FPGA的芯片结构主要由三个部分组成：可编程逻辑单元阵列（CLB）和可编程交换网络（switching network），以及输入/输出资源（IOB）。
可编程逻辑单元阵列（CLB）是FPGA的主要组成部分。
它由一系列的逻辑门和触发器组成，可以实现各种逻辑操作。
逻辑门用于实现布尔逻辑功能，如与、或、非等。
触发器用来存储数据，通常用于时序电路的设计。
CLB中的逻辑单元可以根据需要进行编程，以实现特定的功能。
可编程交换网络是FPGA中的重要部分，用于连接逻辑单元和输入/输出资源。
它由一系列的可编程开关和连接线组成，可以根据需要进行编程，以实现逻辑信号的传输。
交换网络通常采用分层结构，每一层都有一组开关和连接线，可以实现不同层之间的通信。
输入/输出资源（IOB）是FPGA与外部设备进行数据交换的接口。
它通常包括输入引脚、输出引脚和时钟引脚等。
输入引脚用于接收外部电路传输的数据，输出引脚用于向外部电路传输数据，时钟引脚用于同步数据传输。
IOB还可以包括输入/输出缓冲器、电平转换器等电路，以实现与外部设备的接口转换。
总之，FPGA是一种可编程逻辑芯片，它的原理和芯片结构是基于可编程逻辑单元和互连资源来实现任意逻辑功能的构建。
通过编程，FPGA 可以实现不同的逻辑功能，并可以根据需要进行重新编程。
fpga的基本工作原理和特点
fpga的基本工作原理和特点
FPGA（Field-Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，是在PAL、GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
FPGA 采用了逻辑单元数组LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。
FPGA 的基本工作原理是：通过编程将逻辑功能配置到FPGA 芯片中，然后使用这些逻辑功能来实现特定的电路设计。
FPGA 可以通过重新编程来改变其逻辑功能，从而使其能够适应不同的应用需求。
FPGA 的主要特点包括：
1. 可编程性：FPGA 可以通过编程来实现不同的逻辑功能，而不需要改变硬件电路。
2. 灵活性：FPGA 可以快速地进行重新编程，以适应不同的设计需求。
3. 高性能：FPGA 可以实现高速的逻辑运算，具有较高的性能。
4. 低功耗：FPGA 相对于ASIC 等定制电路来说，功耗较低。
5. 可扩展性：FPGA 可以通过增加芯片数量来扩展系统规模，以满足更大规模的设计需求。
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每个IOE包含一个双向I/O缓冲器和一个输入输出寄存器，可被用 作输入输出或双向引脚
控制信号
4 4 4
LE1 LE2 LE3 LE4 LE5 LE6 LE7 LE8 LE9 LE10
LUT链 和 寄存器链
局部互连
4 4 4 4 4 4 4
LAB输入信号
LE反馈信号连线
图2-37 Cyclone LAB结构
级联输出
逻辑阵列（LAB） Logic Array Block
由一系列相邻的LE 构成。 每个Cyclone LAB含10个LE ，相连的进位链和极联链， LAB控制信号和 LAB局部互连,LUT链和寄存器链。 快速通道（FastTrack）
由“行互连” “列互连” 组成，可预测延时性能。
输入输出单元（IOE）
(5) 嵌入式阵列块EAB是在输入、输出口上带有寄存器的RAM 块，是由一系列的嵌入式RAM单元构成。
数据宽度 8,4,2,1 地址宽度 8,9,10,11
D
D
RAM/ROM 256x8 512x4 1024x2 2048x1
D
输出宽度 8,4,2,1
D
写使能
输入 时钟 输出 时钟
写脉冲 电 路
图3-40 用 EAB构成不同 结构的RAM 和ROM
●一个可编程的具有同步使能的触发器；时序电路
●一个进位链； ●一个级连链； 寄存器打包:
提供LE之间非常快的进位功能 用于连接相邻的LE， 不占局部互连通道
可以连接同一LAB中 的所有LE和同一行 中的所有LAB
一个驱动局部互连
LE有两个驱动互连通道的输出信号
一个驱动行或列的快速通道互连
注
两个输出信号单独控制,可以用LUT驱动一个输出,寄存器驱动另一个, LUT 和寄存器可以作互不相关的功能,这一特性,称之为寄存器打包.
FPGA
目前国际上FPGA最大的供应商是美国的Xilinx公司和Altera公司。
FPGA保存逻辑功能的物理结构多为SRAM 型。掉电后将丢失原有的逻辑信息。 所以使用中要为FPGA配置一个专用ROM，将设计信息烧至ROM。
直接使用
在大规模和超大规模逻辑资源，低功耗，价格比值 方面比CPLD更有优势。但FPGA必须配ROM。 当规模不是很大时，逊于CPLD。
对于产品产量特别大，需用ASIC，或是单片系统的设计。 如CPU或各种单片机的设计。 除使用EDA软件设计和仿真外，有时还有必要使用 FPGA对设计进行 硬件仿真测试，以便最后确认 整个设计的可行性。
3.7 编程与配置
目前的ＰＬＤ的编程工艺有３种：
１，基于电可擦除存储单元的EEPROM或Flash技术。 ＣＰＬＤ一般使用此技术进行编程（progam).cpld被编程后 改变了电可檫除存储单元的信息，掉电后可保持． ２，基于SRAM查找表的编程单元。 对于该类器件，编程信息是保 持在SRAM中的，掉电后信息 立丢失，下次上电后，还需要重新载入编程信息，这类器件的编程 一般称为配置．（configure） ３，基于反熔丝编程单元。一次性可编程．
利用FPGA完成系统整机设计，包括最后的电路板定型， 然后充分验证成功的设计软件。 交付原供应商进行 相同封装形式的掩膜设计，这样获得的FPGA 无须配置ROM，单片成本低许多。 FPGA是SRAM结构，能提供宏大的逻辑资源，因而 适用与作各种逻辑设计的仿真器件。
间接使用
硬件仿真
专用集成电路 ASIC设计仿真
(1) 逻辑单元LE
图3-36 进位链连通LAB中的所有LE
快速加法器, 比较器和计数器
进位输入 (来自上一个逻辑单元)
A1 B1
查找表 LUT 进位链
DFF
S1
LE1
A2 B2
查找表 LUT 进位链
DFF
S2
LE2 进位输出 (到 LAB中的下一个逻辑单元)
(1) 逻辑单元LE
图3-37 两种不同的级联方式
“与”级联链
2.4 ns
“或”级联链
LE 1
0.6 ns
LE1 IN [3..0] LUT
IN [3..0]
LUT
LE2 IN [4..7] LUT IN [4..7] LUT
LE2
16位地址译码速度可达 2.4 + 0.6x3=4.2 ns
LEn IN [(4n-1)..4(n-1)] LUT IN [(4n-1)..4(n-1)] LUT
图2-38 LAB阵列
FPGA 和 CPLD 的开发选择
主要是看开发项目本身的需要。 对于普通规模且产量不是很大的产品项目，使用CPLD较好。 对于大规模的逻辑设计如ASIC设计或单片系统设计，多采用FPGA。
CPLD
1，中小规模，CPLD价格较便宜，能直接用于系统。 2，开发CPLD的EDA软件容易得到。 3，CPLD的结构大多为EEPROM或FLASH ROM形式，编程后即 可固定下载的逻辑功能，使用方便，电路简单。 4，CPLD中有专门的布线区和许多块。Pin—to—pin信号延时几乎 固定，与设计无关。使得设计中毛刺现象易处理。
FPGA结构与工作原理
3.3.1 FPGA结构
现场可编程门阵列(FPGA)的基本结构如图3.5所示，从图中可以看出，
FPGA器件的内部结构为逻辑单元阵列(LCA)。LCA由3类可编程单元组成：周
边的可编程输入/输出模块IOB(Input/Output Block)、核心阵列是可配置逻辑块 CLB(Configurable Logic Block)、可编程内部连线PI(Programmable Interconnect)。
概述
Altera的FLEX10K系列器件是一 款低成本高性价比的ＦＰＧＡ．
结构
●嵌入式阵列块（EAB） ●逻辑阵列块（LAB） ●快速通道（Fast Track）互联 ●I/O单元（IOE）
每个FPGA包含一个实现 存储和专用逻辑功能的嵌入 阵列和一个实现一般功能的 逻辑阵列.
逻辑单元（LE） FPGA结构里最小的逻辑单元。 组成： 由组合电路和时序电路两部分组成 ●一个四输入LUT（查找表）； 函数发生器
在FPGA中，所有的逻辑功能都是在CLB中完成的。
图3.5 FPGA的基本结构 (2)可编程输入/输出模块IOB IOB为芯片内部逻辑和芯片外部的输入端 /输出端提供接口，可编程为输 入、输出和双向I/O 3种方式。 (3)可编程内部连线PI
FPGA 依靠对PI 的编程，将各个 CLB和IOB有效地组合起来，实现系统的 逻辑功能。
图3.8 实例图 A,B,C,D由FPGA芯片的管脚输入后进入可编程连线，然后作为地 址线连到LUT，LUT中已经事先写入了所有可能的逻辑结果，通 过地址查找到相应的数据然后输出，这样组合逻辑就实现了，该 电路中D触发器是直接利用LUT后面D触发器来实现。时钟信号 CLK由I/O脚输入后进入芯片内部的时钟专用通道，直接连接到触 发器的时钟端。触发器的输出与I/O脚相连，把结果输出到芯片管 脚。这样FPGA就完成了图3.8所示电路的功能。（以上这些步骤都 是由软件自动完成的，不需要人为干预）
嵌入式阵列块（EAB） 是一种在输入输出端口上带有寄存器的灵活RAM电路，既可以作为存储器 使用，也可以用来实现逻辑功能。 逻辑功能：通过配置过程中对EAB的编程来实现，产生一个LUT（查找表）。
组合功能通过查找表结果实现，比一般逻辑实现的算法快。
存储器功能：可构成RAM、ROM、FIFO RAM 和双端口 RAM。
EAB 的字长是可配置的
EAB的大小灵活可变 256x8 512x4 2048x1
1024x2
通过组合EAB 可以构成更大的模块 不需要额外的逻辑单元，不引入延迟， EAB 可配置为深度达2048的存储器 512x4 256x8 512x8 256x16 256x8 512x4
EAB 可以用来实现乘法器
(2) 逻辑阵列LAB是由一系列的相邻LE构成的
图3-38FLEX10 K LAB 的结构图
(3) 快速通道(FastTrack)
连续布线 ( Altera 基于查找表（LUT）的 FPGA )
LA
LE
连续布线 = 每次设计重复的可预测性和高性能
(4) I/O单元与专用输入端口
图3-39 IO单元结构图
LEn
图2-34 Cyclone LE结构图
(1) 逻辑单元LE
图3-35 LE(LC)结构图
进位输入
级联输入
LE 输出 级联链
D
Q
CLRN
Lab 控制 1 Lab 控制 2
清零和 预置逻辑
Lab 控制 3 Lab 控制 4 进位输出
时钟选择
逻辑单元之间是互联阵列。这些资源可由用户编程。FPGA属于较高密度的
PLD器件。 (1)可编程逻辑块CLB
CLB是FPGA的基本逻辑单元，其内部又可以分为组合逻辑和寄存器两部
分。组合逻辑电路实际上是一个多变量输入的PROM阵列，可以实现多变量任 意函数；而寄存器电路是由多个触发器及可编程输入、输出和时钟端组成的。
本章知识点
发展概述 分类 电路符号表示 简单PLD结构 CPLD工作原理与结构 FPGA结构与工作原理 CPLD 与FPGA 产品概述 CPLD 与FPGA的开发选择 MAX7000系列 FLEX10K系列
简单PLD原理
重点
1.简单PLD结构 2.CPLD结构工作原理 3.FPGA结构工作原理
输入2 输入3 输入4
查找表 LUT
输出
图3.6 FPGA查找表单元
输入A 输入B 输入C 输入D 多路选择器
16×1 RAM
0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 0 0 0 1 1
查找表 输出
图3.7 FPGA查找表单元内部结构