FPGA内部结构解析：构建灵活的数字逻辑系统
FPGA内部结构解析：构建灵活的数字逻辑系统
FPGA（现场可编程门阵列）是一种高度集成的可编程逻辑器件，它允许工程师通过软件定义硬件功能，从而实现复杂的数字电路设计。这种灵活性使得FPGA在通信、计算、消费电子和工业控制等多个领域中得到广泛应用。本文将深入解析FPGA的内部结构，帮助读者理解其如何实现灵活的数字逻辑系统设计。
简化的FPGA内部结构图
FPGA主要由六个部分组成，分别是：①可配置逻辑块、②可编程内部连线、③可编程输入输出单元、④嵌入式块RAM、⑤DSP计算单元、⑥内嵌专用硬核。
如图所示
1. 可配置逻辑块（CLB）
FPGA的核心组成部分是可配置逻辑块（Configurable Logic Block, CLB），它们构成了FPGA的基本逻辑单元。每个CLB通常包括一个查找表（Look-Up Table, LUT）、全加器、选择器以及寄存器。其中，LUT是一个小型的存储器，可以用来映射输入到输出的关系，从而实现任意组合逻辑功能。通过配置这些组件，用户能够定义CLB执行特定的布尔函数，进而构建出复杂的功能模块。
2. 可编程内部连线
如图所示
为了将各个CLB连接起来形成完整的电路，FPGA提供了多种类型的可编程内部连线资源。根据工艺、长度、宽度和分布位置的不同，这些连线资源可以分为以下四类：
- 全局布线资源：用于分配全局时钟信号和复位信号。
- 长线资源：确保Bank间高速信号传输及第二全局时钟分配。
- 短线资源：负责基本的逻辑单元之间的逻辑互联与布线。
- 分布式布线资源：服务于专用时钟、复位等控制信号。
3. 可编程输入输出单元
如图所示
位于FPGA边缘的可编程输入输出单元（Programmable I/O Unit, PIO）是FPGA与外部世界沟通的桥梁。PIO支持多种电气标准，并可通过开发工具进行灵活配置，以满足不同的应用需求。
4. 嵌入式块RAM
如图所示
嵌入式块RAM为FPGA提供了必要的数据存储能力，不仅支持高速缓存操作，还可以被配置成不同类型的存储结构如RAM、ROM或FIFO等，以适应各种应用场景下的性能要求。
5. DSP计算单元
如图所示
灰色方框部分是DSP（Digital Signal Processing）计算单元，其基础功能是实现乘法与加法计算。在一般的FPGA内部结构介绍中，将其归类到内嵌专用硬核中，但是随着近年来AI技术的兴起以及FPGA在AI领域广泛应用，DSP为FPGA提供了算力支持，在此背景下，使得DSP数量在FPGA中成为了重要性能指标。
6. 内嵌专用硬核
除了上述通用逻辑资源外，FPGA还集成了若干内嵌专用硬核，比如PLL（Phase-Locked Loop，锁相环）、硬核处理器（如ARM核心）以及SerDes（Serializer/Deserializer，串行化/解串行化接口）。这些硬核模块显著增强了FPGA的功能性，使其能够更好地支持特定任务或协议。图中示例是一个PLL锁相环电路，为FPGA提供时钟分频、倍频、相位控制等功能。
如图所示
思考题解答：LUT如何实现组合逻辑？
LUT本质上是一张预先定义好的真值表，当给定一组输入时，它会依据这张表返回相应的输出值。对于N个输入变量，LUT需要具备2ⁿ个条目来覆盖所有可能的输入组合。通过这种方式，LUT可以模拟任何组合逻辑表达式。例如，在二输入的情况下，LUT可以用四个条目表示AND、OR、XOR等各种基本逻辑门的行为。更重要的是，由于LUT的内容是可以重新加载的，所以它可以动态地改变所实现的逻辑功能，这正是FPGA实现逻辑可编程性的基础。
综上所述，FPGA以其高度灵活的架构和强大的编程能力，成为了现代电子系统设计中不可或缺的一部分。通过对CLB、连线资源、I/O单元、块RAM、DSP单元以及内嵌专用硬核的理解，我们可以更深入地探索这一强大技术背后的原理，并将其应用于更加广泛的实践中。