FPGA原理结构

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FPGA原理结构

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1. FPGA基本原理架构

FPGA的基本原理架构如图3-7所示。与CPLD类似，最外层的仍然是功能强大的IOB模块，不过与CPLD相比，它们的内部结构大有不同。FPGA中的基本逻辑单元为CLB模块（可能根据生产厂商不同名称会有一定出入），一个CLB模块中一般包含了若干个基本的查找表、寄存器和多路选择器资源。因此，FPGA中的逻辑表达不是基于SOP表达式的，而是基于LUT的，这是FPGA与前面这些可编程器件最大的区别。一个FPGA芯片中往往有成千上万个CLB，而这些CLB是均匀散列在FPGA芯片内部的，这点与CPLD也不一样。

2. 连线关系与资源

在这些CLB组成的行与列之间，如原理架构图所示，穿插着丰富的连线资源，供CLB之间通信使用。为了能够在CLB之间建立灵活可配置的连线关系，光有硬件连线不行，还需要用到两个非常重要的资源：连线盒（CB）和开关盒（SB）。其中CB的作用是将CLB的输入输出接通到连线资源中，而SB的作用是对水平和竖直连线资源进行切换。

3. 开关盒结构与功能

关于开关盒，有三种基本结构，如图3-8所示。其中，除了贯穿开关盒的水平和垂直各4条连线外，开关盒中的每条实线都代表一个MOS管作为传输管，用来控制线段的连接。传输管的导通和关闭是由编程信息来控制的，编程信息一般存储在SRAM单元中，因此通常的FPGA一般都是基于SRAM的，所以掉电后信息会丢失，下次上电时需要先配置才能使用。注意，SB内部有很多传输管，其中两条线段之间有传输管相连的称为可连接线段，没有传输管的称为不可连接线段。

4. FPGA的存储与配置

随着FPGA的不断发展，FPGA芯片的内部结构也越来越复杂，并且包含的资源种类也越来越多。但是，最基本的架构还是由IOB、CLB和灵活多变的连线资源组成的。

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总结

FPGA的基本原理架构由IOB模块、CLB模块和丰富的连线资源组成。CLB模块是FPGA的核心逻辑单元，其逻辑表达基于LUT，与CPLD的SOP表达式有本质区别。为了实现CLB之间的灵活通信，FPGA引入了连线盒（CB）和开关盒（SB），并通过SRAM单元存储编程信息以控制传输管的导通与关闭。尽管FPGA芯片的内部结构不断复杂化，但其基本架构始终围绕IOB、CLB和连线资源展开。

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