FPGA的硬件架构和工作原理

一、FPGA的硬件架构和工作原理

1.1早期的PROM技术实现

在上世纪60年代以后，小规模集成电路出现，需要实现一个组合逻辑的方法，是一种基于PROM（Programable ROM Based）的技术，其原理是将组合电路的真值表写入ROM中，用PROM设备实现定制逻辑的真值表，等效于实现定制逻辑。

这里控制信号从略 。

首先，将比较器的真值表填写：

 

索引号	a[1]	a[0]	b[1]	b[0]	agtb(a>b)	altb(a	aeqb(a=b)
0	0	0	0	0	0	0	1
1	0	0	0	1	0	1	0
2	0	0	1	0	0	1	0
3	0	0	1	1	0	1	0
4	0	1	0	0	1	0	0
5	0	1	0	1	0	0	1
6	0	1	1	0	0	1	0
7	0	1	1	1	0	1	0
8	1	0	0	0	1	0	0
9	1	0	0	1	1	0	0
10	1	0	1	0	0	0	1
11	1	0	1	1	0	1	0
12	1	1	0	0	1	0	0
13	1	1	0	1	1	0	0
14	1	1	1	0	1	0	0
15	1	1	1	1	0	0	1

 

将真值表写入PROM中，使用PROM设备实现比较器：

等效的实现定制逻辑。

为了进一步了解PROM技术的本质，需要知道ROM设备的架构和原理：

1.2基于PROM技术的SOP（积之和最小项）

数字电路中，将真值表用逻辑门实现的常用方法为SOP（Sum Of Products）：

 

索引号	a[1]	a[0]	b[1]	b[0]	agtb(a>b)	altb(a	aeqb(a=b)
0	0	0	0	0	0	0	1
1	0	0	0	1	0	1	0
2	0	0	1	0	0	1	0
3	0	0	1	1	0	1	0
4	0	1	0	0	1	0	0
5	0	1	0	1	0	0	1
6	0	1	1	0	0	1	0
7	0	1	1	1	0	1	0
8	1	0	0	0	1	0	0
9	1	0	0	1	1	0	0
10	1	0	1	0	0	0	1
11	1	0	1	1	0	1	0
12	1	1	0	0	1	0	0
13	1	1	0	1	1	0	0
14	1	1	1	0	1	0	0
15	1	1	1	1	0	0	1

 

PROM设备中，多路器的选择信号对应地址的译码逻辑 

1.3基于查找表技术的定制逻辑

上世纪80年代，CPLD的出现，以及之后的FPGA，为了解决输入端和存储单元的2的n次方问题，出现了查找表LUT技术。查找表LUT其原理同样是用固定的（硬核）多路器，基于SRAM技术，实现定制逻辑的真值表，从而等效的实现定制逻辑。其中一个重要的变化，是将真值表项写入SRAM（静态存储器）中，而不是用反溶丝技术（OTP），从而实现在线编程（沿用至今）。同样用上面的二输入比较器为例：

以上例子中，所需要的存储器单元仍然是16个单元，为2的4次方。为了清楚LUT的减输入法过程，我们将输入端增加到16（与或阵列，需要65536单元）：

这里使用的存储器为：16*16=65536。并没有解决存储器数量增加的问题。但使用四输入LUT的实际架构（含减输入法）为：

这里，仅仅使用了5*16=80个存储器单元。

1.4在线编程技术

CPLD出现之前，PLD设备大多采用反熔丝技术（Anti-Fuse），交叉编程位置在编程前为高阻抗，编程后为很低的阻抗，为导通态。反熔丝技术为一次性编程（OTP），实际使用并不方便，但其好处是便于保护知识产权。在LUT技术出现以后，设计者的定制逻辑真值表和整个设计的网表（含路由），是写入静态存储器SRAM中，具有速度快，支持在线编程（可反复擦除），但其缺点是挥发性（掉电即失），FPGA每次上电以后，需要重新装入（有一个比较复杂的配置过程）。

责任编辑：haq