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FPGA工作原理

>2019-05-15 18:48| 发布者: admin| 检查: 2736| 评论: 0

摘要:   如前所述,FPGA是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可编程器件的基础长进一步睁开的产品。它是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的,即解决了定制电路的不敷,又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。  因为FPGA ...
  如前所述,FPGA是在PAL、GAL、EPLD、CPLD等可编程器件的基础长进一步睁开的产品。它是作为ASIC领域中的一种半定制电路而出现的,即解决了定制电路的不敷,又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。
  因为FPGA必要被反复烧写,它实现组合逻辑的基本布局不行能像ASIC那样颠末过程固定的与非门来实现,而只能采纳一种易于反复设置设备摆设的布局。查找表可以或许或许很好地称心这一请求,目前主流FPGA都采纳了基于SRAM工艺的查找表布局,也有一些军品和宇航级FPGA采纳Flash或许熔丝与反熔丝工艺的查找表布局。颠末过程烧写文件改变查找表内容的办法来实现对FPGA的重复设置设备摆设。
  根据数字电路的基本知识可以或许或许知道,对付一个n输入的逻辑运算,不管是与或非运算还是异或运算等等,至多只可能存在2n种结果。所以如果事先将相应的结果存放于一个存贮单位,就相当于实现为了与非门电路的功效。FPGA的原理也是如斯,它颠末过程烧写文件去设置设备摆设查找表的内容,从而在相同的电路环境下实现为了分歧的逻辑功效。
  查找表(Look-Up-Table)简称为LUT,LUT本质上便是一个RAM。目前FPGA中多应用4输入的LUT,所以每个LUT可以或许或许看成一个有4位地址线的 的RAM。 当用户颠末过程原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后,PLD/FPGA开拓软件会主动计算逻辑电路的统统可能结果,并把真值表(即结果)事先写入RAM,如许,每输入一个信号停止逻辑运算就等于输入一个地址停止查表,找出地址对应的内容,然后输入即可。
  下面给出一个4与门电路的例子来说明LUT实现逻辑功效的原理。
  例1:给出一个应用LUT实现4输入与门电路的真值表。
  表1 4输入与门的真值表


  从中可以或许或许看到,LUT具有和逻辑电路相同的功效。实际上,LUT具有更快的履行速率和更大的规模。
  因为基于LUT的FPGA具有很高的集成度,其器件密度从数万门到数千万门不等,可以或许或许实现极其复杂的时序与逻辑组合逻辑电路功效,所以适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路计划领域。其构成部种匾有可编程输入/输入单位、基本可编程逻辑单位、内嵌SRAM、丰富的布线资源、底层入功效单位、内嵌公用单位等,重要计划和临盆厂家有Xilinx、Altera、Lattice、Actel、Atmel和QuickLogic等公司,此中最大的是Xilinx、Altera、Lattice三家。
  如前所述,FPGA是由存放在片内的RAM来设置其工作状况的,因此工作时必要对片内RAM停止编程。用户可根据分歧的设置设备摆设情势,采纳分歧的编程办法。FPGA有如下几种设置设备摆设情势:
  并行情势:并行PROM、Flash设置设备摆设FPGA;
  主从情势:一片PROM设置设备摆设多片FPGA;
  串行情势:串行PROM设置设备摆设FPGA;
  外设情势:将FPGA作为微处理器的外设,由微处理器对其编程。
  目前,FPGA市场占领率最高的两大公司Xilinx和Altera临盆的FPGA是基于SRAM工艺的,必要在应用时外接一个片外存储器以保留程序。上电时,FPGA将内部存储器中的数据读入片内RAM,实现设置设备摆设后,进入工作状况;掉电后FPGA规复为白片,内部逻辑消失。如许FPGA不只能反从用,还无需专门的FPGA编程器,只需通用的EPROM、PROM编程器即可。Actel、QuickLogic等公司供给反熔丝际的FPGA,只能下载一次,具有抗辐射、耐高高温、低功耗和速率快等优点,在军品和航空航天领域中应用较多,但这种FPGA不能重复擦写,开拓初期比下榉,用度也比较昂贵。Lattice是ISP际的创造者,在小规模PLD应用上有一定的特色。早期的Xilinx产品一样平常不触及军品和宇航级市场,但目前已经有Q Pro-R等多款产品进入该类领域。

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