电工技术|fpga芯片介绍

水电之家讯：FPGA芯片主要由三部分组成，分别是IOE(input output element，输入输出单元)、LAB(logic array block，逻辑阵列块，对于Xilinx称之为可配置逻辑块CLB)和Interconnect(内部连接线)。

1.IOE

IOE是芯片与外部电路的物理接口，主要完成不同电气特性下输入/输出信号的驱动与匹配要求，比如从基本的LVTTL/LVCMOS接口到PCI/LVDS/RSDS甚至各种各样的差分接口，从5V兼容到3.3V/2.5V/1.8V/1.5V的电平接口，下面是ALTERA公司的Cyclone IV EP4CE115F29设备的IOE结构

图1 EP4CE115F29设备的IOE结构图

FPGA的IOE按组分类，每组都能够独立地支持不同的I/O标准，通过软件的灵活配置，可匹配不同的电器标准与IO物理特性，而且可以调整驱动电流的大小，可以改变上/下拉电阻，Cyclone IV设备有8个IO blank(组)，见下图：

图2 Cyclone IV设备的IO组

2.LAB

LAB是FPGA的基本逻辑单元，其实际的数量和特性依据所采用的器件的不同而不同，EP4CE115F29设备的每个LAB的布局包括16个LE、LAB控制信号、LE carry chains、Register chains和Local interconnect，其LAB结构图如下：

图3 LAB结构图

LE是Cyclone IV设备最小的逻辑单元，每个LE主要有LUT和寄存器组成的，

图4 LE的结构图

查找表LUT(Look-Up-Table)其本质是一个静态存储器SRAM，目前FPGA多采用4输入的LUT，每个LUT可以看作一个有4位地址线的16x1的RAM。当我们通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路后，FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果，并把结果事先写入RAM。这样，在FPGA工作时，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出。

图5 LUT的实现原理图

3.Interconnect

FPGA内部连接线很丰富，根据数据手册的描述，主要有图3中的Row interconnect、column interconnect、Direct link interconnect、和Local interconnect和Register chain interconnect(寄存器之间连接的连接线)。

内部连接线联通FPGA内部的所有单元，而连线的长度和工艺决定着信号再连接线上的驱动能力和传输速度。在实际开发中，设计者不需要直接选择连接线，布局布线器可自动地根据输入逻辑网表(这由综合生成)的拓扑结构和约束条件选择连接线来连通各个逻辑单元，所以，从本质上来说，布线资源的使用方法和设计的结果有密切和直接、直接的关系。

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