数字电子技术基础 ch09-4)

1、9.4 现场可编程门阵列现场可编程门阵列(FPGA) 9.4.1 FPGA实现逻辑功能的基本原理实现逻辑功能的基本原理9.4.2 FPGA的一般结构的一般结构9.4.3 基于查找表（基于查找表（LUT）的逻辑块）的逻辑块9.4.4 可编程布线资源可编程布线资源9.4.5 I/O块块9.4 现场可编程门阵列现场可编程门阵列(FPGA) CPLD用可编程用可编程“与与-或或”阵列（乘积项技术）实现逻辑阵列（乘积项技术）实现逻辑函数。函数。编程编程基于基于E2PROM或快闪存储器。或快闪存储器。 FPGA是用查找表是用查找表(Look-Up Table，LUT)实现逻辑函数。实现逻辑函数。复杂函数使

2、用众多的复杂函数使用众多的LUT和触发器实现。和触发器实现。 首先自动计算逻辑电路所有可能的结果，并把结果事先写入首先自动计算逻辑电路所有可能的结果，并把结果事先写入RAM, 这这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址地址进行进行查表查表，找出地址对应的内容，然后输出即可找出地址对应的内容，然后输出即可 。 编程编程基于基于SRAM。 一般将采用一般将采用乘积项技术乘积项技术的称的称CPLD。采用。采用LUT技术的称技术的称为为FPGA。 1 0 1 1 Y=L S0 S1 01 10 11 A B 2 输入输入 LUT 简化图简化图 9.

3、4.1 FPGA实现逻辑功能的基本原理实现逻辑功能的基本原理 LUT是是FPGA实现逻辑函数的基本单元。实现逻辑函数的基本单元。2输入输入LUT可由可由2选选1数据选择器构成，它可以实现任意数据选择器构成，它可以实现任意2变量组合逻辑函数。变量组合逻辑函数。 LUT 由数据选择器和由数据选择器和SRAM存储单元构成。数据选择器的选存储单元构成。数据选择器的选择端就是择端就是LUT的输入，数据选择器的输出端就是的输入，数据选择器的输出端就是LUT的输出。的输出。 1 A B 1 0 1 L 0 1 0 1 0 1 2输输入入LUT 某函数某函数 L 的真值表的真值表 A B L 0 0 1 0

4、1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 Y=L S0 S1 01 10 11 A B 实现实现 L 的的 LUT 编程编程 M0 M1 M2 M3 00 Y S0 S1 01 10 11 2 输入 LUT 9.4.1 FPGA实现逻辑功能的基本原理实现逻辑功能的基本原理2输入输入LUT可实现任意可实现任意2变量组合逻辑函数。变量组合逻辑函数。4个个SRAM存储单元存储单元 目前目前FPGA中的中的LUT大多是大多是45个输入，个输入，1个输出。当变量个输出。当变量数超过一个数超过一个LUT的输入数时，需要将多个的输入数时，需要将多个LUT扩展使用。扩展使用。 LUT扩展扩展-用用2输入

5、输入LUT实现函数实现函数21FFCBABF A B F1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 B C F2 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 F1 F2 F 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 函数 F 的真值表 B C 0 1 0 0 F2 F1 F2 0 1 1 1 F B A C F A B 0 0 0 1 F1 已编程 FPGA 的一部分 F1=ABF2=BCF=F1+F2 在在LUT的基础上增加触发器便可实现时序电路。的基础上增加触发器便可实现时序电路。9.4.2 FPGA结构简介结构简介 FPGA包括：可编程逻辑块、可编程互联开关、可编程包括

6、：可编程逻辑块、可编程互联开关、可编程I/O模块。模块。 I/O 块 I/O 块 I/O块 I/O块 逻辑块逻辑块互联互联开关开关I/O9.4.3 基于查找表（基于查找表（LUT）的逻辑块）的逻辑块4输入输入LUTD触发器触发器可编程数据可编程数据选择器选择器图图9.4.7 FLEX 10K的的LE结构示意图结构示意图 9.4.4 可编程布线资源可编程布线资源 FPGA中有多种布线资源，包括局部布线资源、通用布线资源、中有多种布线资源，包括局部布线资源、通用布线资源、I/O布线布线资源、专用布线资源和全局布线资源等，它们分别承担了不同的连线任务。资源、专用布线资源和全局布线资源等，它们分别承担

7、了不同的连线任务。 I/O单元单元行互连线行互连线列互连线列互连线进位级联链进位级联链快速连线快速连线（FastTrack）每个每个LAB内部有内部有局部互连线局部互连线9.4.4 可编程布线资源可编程布线资源Altera公司将贯穿整个器件的一系列水平连线（或称行连线、行通道）和垂公司将贯穿整个器件的一系列水平连线（或称行连线、行通道）和垂直连线（或称列连线、列通道）称为直连线（或称列连线、列通道）称为快速通道快速通道（Fast Track）。）。9.4.4 I/O块块输出输出将引脚编程为输入、输出和双向功能。将引脚编程为输入、输出和双向功能。控制控制输入输入CPLD与与FPGA的区别的区别C

8、PLDFPGA内部结构内部结构ProducttermLookup Table程序存储程序存储内部内部E2PROMSRAM，外挂，外挂E2PROM资源类型资源类型组合电路资源丰富组合电路资源丰富触发器资源丰富触发器资源丰富集成度集成度低低高高使用场合使用场合完成控制逻辑完成控制逻辑能完成比较复杂的算法能完成比较复杂的算法速度速度快快慢慢其他资源其他资源EAB，锁相环，锁相环保密性保密性可加密可加密一般不能保密一般不能保密CPLD采用采用CMOS E2PROM工艺制造，编程后，即工艺制造，编程后，即使切断电源，其逻辑也不会消失，且可以在系统编使切断电源，其逻辑也不会消失，且可以在系统编程（程（ISP特性）。特性）。FPGA的的LUT由数据选择器和由数据选择器和SRAM构成，切断电构成，切断电源后，其逻