現(xiàn)場可編程門陣列的結(jié)構(gòu)與設(shè)計

摘要：現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA——Field Programmable Gate Array)是上世紀80年代末發(fā)展起來的新型大規(guī)模集成邏輯器件。它采用高級計算機輔助設(shè)計技術(shù)進行器件的開發(fā)與設(shè)計,其優(yōu)越性大大超過普通TTL集成門。重點介紹了FPGA的基本組成原理及設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：現(xiàn)場可編程門陣列；可配置邏輯塊；專用集成電路

1 引言

FPGA是上世紀80年代末開始使用的大規(guī)模可編程數(shù)字集成電路器件。它充分利用計算機輔助設(shè)計技術(shù)進行器件的開發(fā)與應用。用戶借助于計算機不僅能自行設(shè)計專用集成電路芯片，還可在計算機上進行功能仿真和實時仿真，及時發(fā)現(xiàn)問題，調(diào)整電路，改進設(shè)計方案。這樣，設(shè)計者不必動手搭接電路、調(diào)試驗證，只須在計算機上操作很短的時間，即可設(shè)計出與實際系統(tǒng)相差無幾的理想電路。而且，F(xiàn)PGA器件采用標準化結(jié)構(gòu)，體積小、集成度高、功耗低、速度快，可無限次反復編程，因此，成為科研產(chǎn)品開發(fā)及其小型化的首選器件，其應用極為廣泛。

2 FPGA的基本組成原理

FPGA的基本組成與生產(chǎn)廠家有關(guān)，不同廠家的器件其結(jié)構(gòu)、工藝技術(shù)和編程方法各不相同。目前國內(nèi)廣泛使用Xilinx公司生產(chǎn)的FPGA器件。XilinxFPGA采用邏輯單元陣列(Logic Cell Array—簡稱LCA)結(jié)構(gòu)，其示意圖如圖1所示。

圖1 Xilinx公司FPGA結(jié)構(gòu)圖

由圖1可知，XilinxFPGA由3個可編程基本單元陣列組成：輸入/輸出塊(I/OBlock—簡稱I/OB)陣列，可配置邏輯塊(Configurable LogicB lock—簡稱CLB)陣列及可編程互連網(wǎng)絡(luò)(Programmable Interconnect—簡稱PI)。其中輸入/輸出塊排列在芯片周圍，它是可配置邏輯塊與外部引腳的接口?？膳渲眠壿媺K是FPGA的核心，它以矩陣形式排列在芯片中心。每個CLB均可實現(xiàn)一個邏輯功能小單元。各CLB之間通過互連網(wǎng)絡(luò)編程連接，以實現(xiàn)復雜的邏輯功能。

3 FPGA的開發(fā)過程

FPGA的開發(fā)過程依賴于它的軟件開發(fā)系統(tǒng),其設(shè)計流程如圖2所示。

由圖2可知，F(xiàn)PGA的基本設(shè)計流程分為3部分：設(shè)計輸入，設(shè)計實現(xiàn)及設(shè)計驗證。

圖2FPGA的基本設(shè)計流程