FPGA结构与工作原理新
FPGA概述PPT课件
6.底层内嵌功能单元 内嵌专用硬核是相对于底层嵌入的软核而言 的，硬核（Hard Core）使FPGA具有强大 的处理能力，等效于ASIC电路。
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1.3 IP核简介
IP（Intelligent Property）核
是具有知识产权的集成电路芯核总称，是 经过反复验证过的、具有特定功能的宏模 块，与芯片制造工艺无关，可以移植到不 同的半导体工艺中。
通道绑定原 理示意图
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5.预加重技术 在印制的电路板上，线路是呈现低通滤波 器的频率特性的，为解决高频部分的损失， 就要采取预加重技术。
预加重技术的思想是：在传输信号时，抬高 信号的高频信号，以补偿线路上高频分量的 损失。
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没有预加重 的发送波形
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预加重后的 发送波形
没有预加重 的接收波形
典型的IOB内部结构示意图
2.可配置逻辑块(CLB)
CLB是FPGA内的基本逻辑单元 .
CLB的实际数量和特性会依据器件的不同而不同，但是每 个CLB都包含一个可配置开关矩阵，此矩阵由选型电路(多 路复用器等)、触发器和4或6个输入组成。
典型的CLB结 构示意图
3. 数字时钟管理模块（DCM）
目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一 个LUT可以看成是一个有4位地址线的RAM。当用 户通过原理图或HDL语言描述一个逻辑电路以后， PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可 能结果，并把真值表(即结果)写入RAM，这样，每 输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址去 进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。
DLL简单模 型示意图
Xilinx DLL的典 型模型示意图
在FPGA设计中，消除时钟的传输延迟，实现高扇出 最简单的方法就是用DLL，把CLK0与CLKFB相连 即可。 利用一个DLL可以 实现2倍频输出
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。
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fpga内部结构组成
fpga内部结构组成摘要：一、FPGA 简介1.FPGA 的定义2.FPGA 的应用领域二、FPGA 内部结构组成1.FPGA 的基本组件2.FPGA 的核心部分3.FPGA 的互连资源三、FPGA 的工作原理1.FPGA 的编程过程2.FPGA 的配置方式3.FPGA 的运行机制四、FPGA 的发展趋势1.FPGA 技术的不断创新2.FPGA 在人工智能领域的应用3.FPGA 在我国的发展现状和前景正文：FPGA（Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是一种可重新配置硬件架构的集成电路，能够根据需要实时地调整硬件逻辑，适应不同的应用场景。
FPGA 内部结构组成复杂，但可以概括为基本组件、核心部分和互连资源三个部分。
首先，FPGA 的基本组件主要包括可编程逻辑单元（PLU）、输入输出模块（I/O）、时钟管理模块等。
其中，可编程逻辑单元是FPGA 的核心部分，可以根据用户需求实现不同的逻辑功能。
输入输出模块负责与外部设备进行数据交互，时钟管理模块则负责时钟信号的生成、分配和同步等功能。
其次，FPGA 的核心部分是可编程逻辑资源，主要包括查找表（LUT）、寄存器（Register）和互联线（Interconnect）。
查找表用于实现逻辑函数的查找，寄存器用于存储数据和状态信息，互联线则负责在各个逻辑单元之间传输信号。
通过这些核心部分，FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功能。
最后，FPGA 的互连资源是连接各个逻辑单元的关键部分，负责实现逻辑单元之间的信号传输和组合。
互连资源的性能直接影响FPGA 的性能和容量。
FPGA 的工作原理是通过编程过程将用户设计的逻辑功能配置到FPGA 内部，配置方式有比特流（Bitstream）和直接编程（Direct Programming）两种。
在运行过程中，FPGA 根据配置的逻辑功能进行信号处理和计算。
随着科技的不断发展，FPGA 技术也在不断创新。
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芯片结构分析
FPGA芯片结构分析FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，其结构和工作原理是实现数字电路功能的关键。
FPGA由逻辑单元（Look-Up Tables，LUTs）、存储单元（Flip-Flops）和连接资源（Interconnect Resources）组成，下面会对FPGA芯片的结构进行详细分析。
首先，FPGA的逻辑单元是FPGA的核心部分，它由大量的Look-Up Tables（LUTs）构成。
LUT是一个存储数据和逻辑表达式的内部存储器，它能够实现任意逻辑功能，并根据输入信号进行查找并输出相应的结果。
LUT的输入信号可以来自寄存器或其他逻辑单元的输出，从而实现逻辑功能的组合。
一个LUT通常由4到6个输入和一个输出组成，因此可以实现2^n（n为输入数量）种不同的逻辑功能。
LUT在FPGA中的数量决定了FPGA的逻辑容量。
其次，FPGA的存储单元是用来存储状态和中间结果的，它主要由Flip-Flops（FFs）构成。
Flip-Flops是一种同步触发器，用于存储和保持逻辑电路的状态。
FF的输入可以来自LUT的输出或其他存储单元的输出，输出会通过寄存器链连接到其他逻辑单元。
这样，通过存储单元的互联，可以实现时序逻辑功能。
最后，FPGA的连接资源是用来将各个逻辑单元连接起来的。
FPGA的连接网络通常由水平和垂直两层导线组成。
水平导线可以通行一行逻辑单元的输出信号，而垂直导线可以通行一列逻辑单元的输入信号。
这种结构使得不同逻辑单元之间的信号可以进行自由的互联，实现复杂的逻辑功能。
在FPGA的导线交叉点上，还有一些可编程的连接点，可以跨越水平和垂直导线进行信号的交叉连接。
除了逻辑单元、存储单元和连接资源，FPGA还包括其他一些辅助功能。
例如，输入/输出（I/O）是连接FPGA芯片和外部设备的接口，用于输入和输出信号。
时钟管理单元可以控制FPGA芯片的时序和时钟分配，确保各个逻辑单元同步工作。
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由“行互连” “列互连” 组成，可预测延时性能。
输入输出单元（IOE）
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
LAB输入信号
局部互连
控制信号
4
LE1
4
LE2
4
LE3
4
LE4
4
LE5
4
LE6
4
LE7
4
LE8
4
LE9
4
LE10
LUT链 和
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）
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
●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
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。
3.3.2 FPGA工作原理
大部分FPGA采用基于 SRAM的查找表逻辑形式结构, 就是用SRAM来构成逻辑函数 发生器。图3.6是一个4输入 FPGA查找表单元图，可以实 现4个输入变量的任意逻辑功 能。通常一个N个输入的查找 表，需要SRAM存储N个输入 构成的真值表，需要用2的N 次幂个位的SRAM单元，图3.7 是图3.6的FPGA查找表单元内 部结构。
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)。 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。
LA LE
(4) I/O单元与专用输入端口
寄存器链
LE反馈信号连线
图2-37 Cyclone LAB结构
(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
பைடு நூலகம்
(3) 快速通道(FastTrack)
连续布线 ( Altera 基于查找表（LUT）的 FPGA )
连续布线 = 每次设计重复的可预测性和高性能
LE有两个驱动互连通道的输出信号
注
一个驱动行或列的快速通道互连
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.
(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)
进位输入 级联输入
数据1 数据2
数据3 数据4
查找表 (LUT)
进位链
级联链
D
Q
LE 输出
CLRN
Lab 控制 1 Lab 控制 2
Lab 控制 3 Lab 控制 4
清零和 预置逻辑
时钟选择
进位输出 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。
A1 B1
查找表 LUT
DFF
S1
进位链 LE1
A2 B2
查找表 LUT
DFF
S2
进位链 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
“或”级联链
IN [3..0]
2.4 ns
LUT
LE
LE1
1
IN [3..0]
LUT
0.6 ns
LE2
(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。
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
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。
输入1
输入2
查找表
输入3
LUT
输出
输入4
图3.6 FPGA查找表单元
输入A
0
0
0
0
0
1
16×1 RAM
01 0
0
0
0
0
0
1
1
输入B
输入C 输入D 多路选择器
查找表 输出
图3.7 FPGA查找表单元内部结构
Xilinx的XC4000系列、Spartan系列、Altera的FLEX10K系列、 ACEX系列都采用SRAM查找表构成。现以图3.8这个电路的为例 来阐述查找表（Look Up Table :LUT)结构的FPGA逻辑实现原理。
LE2
IN [4..7]
LUT
IN [4..7]
LUT
16位地址译码速度可达 2.4 + 0.6x3=4.2 ns
IN [(4n-1)..4(n-1)]
LUT
LEn
LEn
IN [(4n-1)..4(n-1)]
LUT
图2-34 Cyclone LE结构图
(1) 逻辑单元LE
图3-35 LE(LC)结构图