FPGA结构与工作原理

1、FPGA结构与工作原理EDA 技术实用教程 FPGA结构与工作原理1.1 查找表图3-33 FPGA查找表单元内部结构图3-32 FPGA查找表单元：一个N输入查找表 (LUT，Look Up Table)可以实现N个输入变量的任何逻辑功能，如 N输入“与”、 N输入“异或”等。输入多于N个的函数、方程必须分开用几个查找表（ LUT）实现输出查黑找盒表子输入1输入2输入3输入4什么是查找表?基于查找表的结构模块 0000010100000101输入 A 输入 B 输入C 输入D 查找表输出16x1RAM查找表原理多路选择器1.2 FLEX10K系列器件图3-34 FLEX 10K内部结构.IO

2、CIOCIOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC逻辑单元.IOCIOC.IOCIOCIOCIOC.快速通道互连逻辑阵列块 (LAB)IOCIOC.连续布线和分段布线的比较连续布线 = 每次设计重复的可预测性和高性能连续布线 ( Altera 基于查找表（LUT）的 FPGA )LABLE.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOCFLEX 10K系列FPGA结构图.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOC.IOCIOCEABEAB嵌入式阵列块(1) 逻辑单元LE图3-35 LE(LC)结构图数据1L

3、ab 控制 3LE 输出进位链级联链查找表 (LUT)清零和预置逻辑时钟选择进位输入级联输入进位输出级联输出Lab 控制 1CLRNDQ数据2数据3数据4Lab 控制 2Lab 控制 4(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DFF进位输入(来自上一个逻辑单元)S1LE1查找表LUT进位链DFFS2LE2A1B1A2B2进位输出(到 LAB中的下一个逻辑单元)进位链查找表LUT(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LUTLUTIN 3.0IN 4.7LUTIN (4n-1).4(n-1)LUTLUTIN 3.0

4、IN 4.7LUTIN (4n-1).4(n-1)LE1LE2LEnLE1LE2LEn0.6 ns2.4 ns16位地址译码速度可达 2.4 + 0.6x3=4.2 ns(2) 逻辑阵列LAB是由一系列的相邻LE构成的图3-38-FLEX10K LAB的结构图(3) 快速通道(FastTrack)(4) I/O单元与专用输入端口图3-39 IO单元结构图EAB的大小灵活可变通过组合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EAB 的字长是可配置的256x8512x41024x22048x1256x8256x8512x4512x4256x

5、16512x8(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。图3-40 用EAB构成不同结构的RAM和ROM 输出时钟DRAM/ROM256x8512x41024x22048x1DDD写脉冲电路输出宽度8,4,2,1 数据宽度8,4,2,1地址宽度 8,9,10,11 写使能输入时钟EAB 可以用来实现乘法器 VS非流水线结构,使用35个 LE,速度为 34 MHz 流水线结构速度为100 MHz, EAB8890 MHz用EAB实现的流水线乘法器操作速度可达 90 MHz!实例: 4x4 乘法器+(6 LE)+(6 LE)+(7 LE)8

6、LELELELELELELELELELELELELELELELE存储器容量(单位: Bit)典型可用门EPF10K10/AEPF10K20EPF10K30/AEPF10K40EPF10K5/VEPF10K70EPF10K100/AEPF10K130VEPF10K250AFLEX10K系列逻辑规模管芯尺寸比较AlteraEPF10K100A相对管芯尺寸： 1.00.35 工艺4,992个逻辑单元(LE)12 个EABXilinxXC4062XL相对管芯尺寸： 1.910.35 工艺相当于4,608个逻辑单元(LE)*没有EABAlteraEPF10K100E相对管芯尺寸： 0.60.25 工艺4

7、,992个逻辑单元(LE)12 个EAB* 1个 CLB 相当于 2 两个LE工艺改进促使供电电压降低5.0 V3.3 V2.5 V1.8 V崩溃电压供电电压FPGA/CPLD多电压兼容系统内核电压 3.3V、2.5V或 1.8V 接受 2.5V、3.3V 或者 5.0V 输入输出电位标准 Vccio资料来源：美国Altera公司5.0 V3.3 V2.5 V1.8 V初始设计百分比FPGA/CPLD不同芯核电压器件流行趋势 4、FPGA/CPLD生产商 ALTERAFPGA： FLEX系列：10K、10A、10KE，EPF10K30E APEX系列：20K、20KE EP20K200E AC

8、EX系列：1K系列 EP1K30、EP1K100 STRATIX系列：EP1系列 EP1S30、EP1S120CPLD： MAX7000/S/A/B系列：EPM7128S MAX9000/A系列FPGA： XC3000系列， XC4000系列， XC5000系列 Virtex系列 SPARTAN系列：XCS10、XCS20、XCS30CPLD： XC9500系列：XC95108、XC95256XILINXLATTICEVANTIS（AMD）ispLSI系列：1K、2K、3K、5K、8K ispLSI1016 、ispLSI2032、 ispLSI1032E、ispLSI3256A MACH系列 ispPAC系列： 其他PLD公司：ACTEL公司： ACT1/2/3、40MXATMEL公司：ATF1500AS系列、40MXCYPRESS公司QUIKLOGIC公司 CPLD SO MUCH IC！FPGA CPLD4、FPGA/CPLD生产商 ALTERA FPGA： FLEX系列：10K、10A、10KE，EPF10K30E APEX系列：20K、20KE EP20K200E ACEX系列：1K系列 EP1K30