現場(chǎng)可編程門(mén)陣列的結構與設計

摘要：現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA——Field Programmable Gate Array)是上世紀80年代末發(fā)展起來(lái)的新型大規模集成邏輯器件。它采用高級計算機輔助設計技術(shù)進(jìn)行器件的開(kāi)發(fā)與設計,其優(yōu)越性大大超過(guò)普通TTL集成門(mén)。重點(diǎn)介紹了FPGA的基本組成原理及設計方法。

關(guān)鍵詞：現場(chǎng)可編程門(mén)陣列；可配置邏輯塊；專(zhuān)用集成電路

1 引言

FPGA是上世紀80年代末開(kāi)始使用的大規模可編程數字集成電路器件。它充分利用計算機輔助設計技術(shù)進(jìn)行器件的開(kāi)發(fā)與應用。用戶(hù)借助于計算機不僅能自行設計專(zhuān)用集成電路芯片，還可在計算機上進(jìn)行功能仿真和實(shí)時(shí)仿真，及時(shí)發(fā)現問(wèn)題，調整電路，改進(jìn)設計方案。這樣，設計者不必動(dòng)手搭接電路、調試驗證，只須在計算機上操作很短的時(shí)間，即可設計出與實(shí)際系統相差無(wú)幾的理想電路。而且，FPGA器件采用標準化結構，體積小、集成度高、功耗低、速度快，可無(wú)限次反復編程，因此，成為科研產(chǎn)品開(kāi)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(chǎng)家有關(guān)，不同廠(chǎng)家的器件其結構、工藝技術(shù)和編程方法各不相同。目前國內廣泛使用Xilinx公司生產(chǎn)的FPGA器件。XilinxFPGA采用邏輯單元陣列(Logic Cell Array—簡(jiǎn)稱(chēng)LCA)結構，其示意圖如圖1所示。

圖1 Xilinx公司FPGA結構圖

由圖1可知，XilinxFPGA由3個(gè)可編程基本單元陣列組成：輸入/輸出塊(I/OBlock—簡(jiǎn)稱(chēng)I/OB)陣列，可配置邏輯塊(Configurable LogicB lock—簡(jiǎn)稱(chēng)CLB)陣列及可編程互連網(wǎng)絡(luò )(Programmable Interconnect—簡(jiǎn)稱(chēng)PI)。其中輸入/輸出塊排列在芯片周?chē)?，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(gè)CLB均可實(shí)現一個(gè)邏輯功能小單元。各CLB之間通過(guò)互連網(wǎng)絡(luò )編程連接，以實(shí)現復雜的邏輯功能。

3 FPGA的開(kāi)發(fā)過(guò)程

FPGA的開(kāi)發(fā)過(guò)程依賴(lài)于它的軟件開(kāi)發(fā)系統,其設計流程如圖2所示。

由圖2可知，FPGA的基本設計流程分為3部分：設計輸入，設計實(shí)現及設計驗證。

圖2FPGA的基本設計流程