原创 Altera FPGA基本结构

我们先来看看FPGA的家谱。什么电子工艺的发展，电子管、晶体管、集成电路这些就不说了。直接从ASIC（专用集成电路）开始，它的出现，降低了产品的成本、缩小的设计的物理尺寸、增加了系统的稳定性（低、小、稳）。但是它也有一定的局限性（剧情往往就是这么发展的，哈哈），设计周期长，灵活性差，改版投资大（贵、繁、久）。人们希望有一种更灵活的设计方法，在实验室就能设计、更改大规模数字逻辑，研制自己的ASIC，并马上投入使用，因此就有了可编程逻辑的基本思想。

一.可编程逻辑器件

可编程逻辑器件指通过软件手段，更改、配置器件内部连接结构和逻辑单元，完成既定设计功能的数字集成电路。

可编程逻辑器件可以分为：PAL/GAL、CPLD、FPGA。

PAL/GAL：（Programmable Array Logic）可编程阵列逻辑，（Generic Array Logic）通用可编程阵列逻辑。大多基于E^2CMOS工艺，结构简单，逻辑单元密度低，仅能适用于一些简单的数字逻辑电路。

CPLD：（Complex Programmable Array Logic）复杂的可编程阵列逻辑。它是在PAL/GAL的基础上发展起来的，多数采用E^2COMS工艺、少数采用Flash工艺。当然它的逻辑功能有了大幅度的提升，可以完成逻辑设计中较高速、较复杂的逻辑功能。

FPGA：（Field Pragrammable Gate Array）现场可编程逻辑阵列。它是在CPLD的基础上发展起来的，一般采用SRAM工艺，有的也采用Flash工艺或反熔丝工艺。它的集成度很高。可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，适用与高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。

二.FPGA的基本结构

简化的FPGA基本由6部分组成：可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用硬核。下面分别来解释说明这几个部分。

1.可编程输入/输出单元：简称I/O单元，是芯片与外界电路的接口部分，完成不同电气特性下对输入/输出信号的驱动与匹配需求。目前大多数FPGA的I/O单元被设计为可编程模式，即可通过软件的配置，适配不同的电气标准与I/O物理特性；可以调整匹配阻抗特性，上下拉电阻；可以调整输出驱动电流的大小等。

上面的一些概念，现在读不懂没关系，随着学习的深入，再回过头来看，会加深理解。现在只需要知道FPGA的灵活性其中一方面体现在I/O接口上面，原因是可通过软件编程配置。

2.基本可编程逻辑单元：它是可编程逻辑的主体，可以根据设计灵活地改变其内部连接与配置，完成不同的逻辑功能。FPGA的基本可编程逻辑单元几乎都是由查找表LUT和寄存器Reg组成的。FPGA一般依赖查找表完成组合逻辑功能，依赖寄存器完成同步时序逻辑设计。Altera可编程逻辑单元通常被称为LE（logic Element，逻辑单元），1个LUT+1个Reg构成。若干个LE有机的组合起来，构成更大的功能单元，逻辑阵列模块LAB（Logic Array Bolck）,LAB中除了LE还包含LE间的进位链、LAB控制信号、局部互联线资源、LUT级联链，寄存器级联链等连线与控制资源。Xilinx的可编程逻辑单元叫Slice，被称为LC（Logic Cell，逻辑单元）。Lattice的底层逻辑单元叫PFU（Programmable Function Unit，可编程功能单元）。

这段大家只需要知道FPGA是基于LUT和寄存器的就可以了，当然你或许之前就已经知道这点，但我相信你看过之后的理解和之前是不一样的。

3.嵌入式块RAM：FPGA内部嵌入可编程RAM模块，大大拓展了FPGA的应用范围和使用的灵活性。体现为单口RAM、双口RAM、CAM、FIFO等常用的存储结构，想必大家已经十分熟悉了。FPGA中没有ROM资源，ROM的实现本质也是RAM。

4.丰富的布线资源：布线资源连通FPGA内部所有单元，连线的长度和工艺决定着信号在连线上的驱动能力和传输速度。

 a.全局性的专用布线资源：用以完成器件内部的全局时钟和全局复位/置位的布线。

 b.长线资源：完成器件Bank（分区）间的一些高速信号和一些第二全局时钟信号的布线。

 c.短线资源：完成基本逻辑单元之间的逻辑互联与布线。

另外还有各式各样的布线资源和专用时钟、复位等控制信号线。

5.底层嵌入功能单元：底层嵌入功能单元的概念比较笼统，这里指那些通用程度较高的嵌入式功能模块、入PLL、DSP、CPU等。随着FPGA的发展，这些模块越来越多地嵌入到FPGA的内部，以满足不同场合的需求。

6.内嵌专用硬核：这里说的硬核主要指那些通用性较弱，不是所有FPGA器件都包含硬核（Hard Core）。FPGA和CPLD为通用逻辑器件是相对于集成电路ASIC而言的。FPGA内部也有两个阵营：一方面是通用性较强，目标市场范围很广，价格适中的FPGA；两一方面是针对性较强，目标市场明确，价格较高的FPGA。