一文详解FPGA的工作原理
一文详解FPGA的工作原理
在嵌入式开发领域，FPGA（现场可编程门阵列）因其独特的可编程性和灵活性而备受青睐。本文将带你深入了解FPGA的工作原理，从布尔代数到查找表，再到互连系统，全面解析这一前沿技术的核心机制。
什么是 FPGA？
FPGA（现场可编程门阵列）是一种可配置的集成电路，在制造后可以反复编程。许多用户更青睐 FPGA 而不是 MCU，因为 FPGA 的可编程性和灵活性允许用户根据自己的需求定制电路。此外，FPGA 拥有更高的性能，因为其并行结构使其能够在一个时钟周期内处理比 MCU 更多的数据。因此，FPGA 芯片通常比 MCU 更昂贵。
工作原理
布尔代数
在逻辑中，我们通常使用真 (1)或假 (0)来判断某个事件是否发生。例如，我们可以用变量A表示明天是否下雨。如果下雨，A等于 1，表示事件发生；否则，A等于 0。这种逻辑与电路中使用的高电平 (1)和低电平 (0)类似，用来检测特定事件是否发生，并使电路做出相应反应。
为了执行这些逻辑操作，电路依赖于逻辑门。逻辑门的等效布尔代数操作如下：
- 或门 (Or Gate)：执行布尔加法
- 与门 (And Gate)：执行布尔乘法
积之和 (Sum of Products)
本质上，或门（布尔加法）和与门（布尔乘法）可以组合起来检测多种事件。这种组合逻辑表示为积之和的形式，其中函数由一系列与操作（积）通过或操作（和）组合在一起。例如：
F = (A AND B) OR (B AND C AND D) OR (A AND C)
理想情况下，只要资源足够，我们可以设计电路来将现实世界表示为 0 和 1。这是计算机工作原理的基本概念。
真值表 (Truth Table)
真值表是一个列出所有可能输入组合及其对应输出的表格，用于理解和验证逻辑电路或功能的行为。例如，考虑一个具有两个输入A和B、一个输出F的简单与门。其真值表如下：
A | B | F (A AND B) |
|---|---|---|
0 | 0 | 0 |
0 | 1 | 0 |
1 | 0 | 0 |
1 | 1 | 1 |
真值表不仅有助于分析单个逻辑门，还可以作为设计和验证 FPGA 中更复杂功能的蓝图。当电路变得庞大且复杂时，像 LUT（查找表）这样的工具被用来高效处理这些真值表映射。
查找表 (LUTs)
查找表 (LUTs) 是 FPGA 中真值表的直接硬件实现。它们是存储逻辑函数所有可能输入组合输出值的小型存储单元。这意味着 LUT 本质上是将真值表映射到可编程电路中。
例如，考虑前面提到的与门。该门的 LUT 将存储真值表的输出列：
地址（输入组合） | 存储值（输出） |
|---|---|
00 | 0 |
01 | 0 |
10 | 0 |
11 | 1 |
其中：
- 地址对应于输入组合（例如，A=0，B=1 对应二进制的 01）。
- 存储值表示该组合的对应输出。
真值表和 LUT 的关系使 FPGA 能够高效实现逻辑功能：
- 真值表作为蓝图：真值表定义了逻辑电路的期望行为。
- LUT 作为硬件实现：LUT 通过存储所有可能输入的输出，将这种行为转换为物理实现。
通过利用 LUT，FPGA 可以动态重新编程其硬件来实现多种功能，从而展现出极大的灵活性。对于较大的设计，多组 LUT 通过 FPGA 的可编程互连 (Interconnects) 连接在一起，从而无需定制硬件即可实现复杂的逻辑电路。
互连 (Interconnects)
互连是 FPGA 的可编程布线网络的核心。它们连接查找表 (LUT)、寄存器和其他逻辑元件，使 FPGA 能够根据用户设计形成自定义电路。没有互连，单独的 LUT 将是孤立的，无法组成更大的功能设计。
互连与 LUT 的关系
虽然 LUT 实现了单个真值表的逻辑，但互连负责将一个 LUT 的输出连接到另一个 LUT 的输入。这种连接性使 FPGA 能够扩展简单的逻辑操作为复杂的系统。
例如：
- 单个 LUT 可能实现一个简单的逻辑函数，如 A AND B。
- 通过互连，该 LUT 的输出可以作为输入连接到另一个实现函数 (A AND B) OR C 的 LUT。
FPGA 中的互连系统由多种可编程元素组成，允许信号在芯片中传输：
- 全局路由资源：用于在 FPGA 芯片的远距离部分之间传递信号。
- 开关矩阵：一个可编程开关网格，用于控制信号在不同路由路径之间的流动。用户通过配置这些开关来创建所需连接。
- 局部路由资源：短距离布线，用于连接相邻的逻辑元件，例如将一个 LUT 与其邻近的 LUT 连接起来。
- 专用线路：用于高速或特定连接的直接高效通路，可以绕过通用路由。
可编程性和优势
FPGA 互连的可编程性赋予了它极大的灵活性：
- 动态连接：互连可以重新配置，以连接 FPGA 的不同部分以实现新的设计。
- 扩展性：支持从简单逻辑到复杂电路的设计。
- 优化：FPGA 工具在设计综合和实现过程中优化互连的使用，确保高效的时序和资源利用。
尽管存在一定的延迟和功耗开销，互连系统是 FPGA 灵活性和多功能性的关键，使其能够适应多样化的应用需求。