[原创] 凔海笔记之FPGA（三）：聊聊FPGA的内部结构_下

凔海 2016-3-13 10:50 楼主

FPGA就好像一个平台，用简单的器件和复杂的逻辑构建起来的。这个平台大概由六部分组成，分别为基本可编程逻辑模块（CLB）、可编程输入/输出模块（IOB）、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核等。对于不同型号的芯片，其内部结构也会有些变化，但原理都也差不多，所以咱不必在意说的是何种芯片，下面就以鄙陋只见说芯片之精妙。

1、可编程逻辑模块逻辑块（Logic Block），Altera称之为逻辑阵列块（LAB），Xilinx称之为可配置逻辑课（CLB），我更喜欢CLB这个称呼，因为它说得够清楚，虽然我用的是Altera公司的芯片吧(*^__^*) 。我们所说的Verilog编程，可以说就是对CLB的配置，它可以实现绝大多数的逻辑功能。

这是从书上拍下了的，这是CLB基础的逻辑单元（LC）Logic Cell，一个CLB包含4个LC。每个LC中包括4输入LUT、进位及控制逻辑和D触发器各一个。而每2个LC放在一个微片上，上图就是俩个微片。微片就是很小很小的一个模块，或可理解为像人体细胞一样吧。其中LUT（Look-Up Table）即查找表，它的本质是一个16X1的SRAM，SRAM是英文Static RAM的缩写，即静态随机存储器。我们可以认为SRAM是这个东西

现在我想每个格子都放一样东西，并方便寻找给每个格子编号，则格子的编号就可以看做格子的地址，如果每个格子只能放一个苹果或是橘子，那么上图就可以理解为一个20X1的RAM，当然，这只是一种比喻。我们通过Verilog语言可以写出逻辑电路，例如F=A&B&C&D，FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能，并把结果放入SRAM，这一过程就是所谓的编程。就那F=A&B&C&D来说，ABCD的组合共有十六组，如下表

当我们下载的时候，软件会自动把上述表格的值送给SRAM，我们ABCD取不同值时，TLU就根据地址进行找到数输出。也就是说，FPGA并不知道我们进行了F=A&B&C&D这一计算，它只是根据我们的输入进行寻址。把TLU与数据选择器配合使用，就可以实现组合逻辑功能，当与触发器结合就可以实现时序逻辑电路的基本功能。

这是一个微片的原理图。看着好复杂哈，想晕，但还是坚持一点点认识吧。图中除了数据选择器F5、CY、F6外都是可编程的。微片有15个输入端和8个输出端。 15个输入端包括俩组LUT、SR触发器控制端，CLK时钟信号输入端，CE时钟使能控制端。F5IN级联输入端，BX、BY旁路输入端、CIN进位链输入端 8个输出包括2个组合逻辑输出端X和Y，2个寄存器输出端XQ和YQ，2个算数运算进位端BX和BY，1个级联输出端F5和1个进位链输出端COUT。在我第一次看这些名词时，真是怀疑自己的智商了。

可是，不看不行呀/(ㄒoㄒ)/~~所以先接单的说一下各器件吧 LUT 不废话，过数据选择器：

由M来控制AB哪个与D搭上线，就是M来选择AB输出哪一个，例如当M=0时A的值输出，当M=1时B的值输出，与门：

ab同为一输出1.否则为0. 异或：

AB不同时输出1. 触发器：

实现时序逻辑就是因为这个，D数据输入，FFY时钟信号输入，它来一拍，数据传输一个。EC时钟使能，Sd触发器控制，Rd复位控制。下面就通过举例来说一下各种功能（1）实现4变量的任意逻辑函数。例如要实现F=A^B&C||D。那么就如上表格方式计算出所有的可能，将ABCD依次送给F1~F4，O端得到4变量逻辑函数的结果。该结果可以经过XMUX直接从X输出，也可以经DCMUX和D触发器由XQ输出。（2）实现5变量的任意逻辑函数 5变量？！那一个LUT肯定是不够了。F=A^B&C||D&E肿么办？？？这时BX成了救世主，我们把ABCD这四个数据时同时送到送入F1~F4以及G1~G4的同时，将第五个数E送给BX。Why？Σ( ° △ °|||)︴因为五个数有32种可能，一个LUT只能存储16种，这样俩个就存储32种啦。而且，如果我们在G-LUT中放的是ABCD任意值，而E为1，在F-LUT中放的也是ABCD任意值，但E=0。这时候第五个变量的输入就起到选择这俩个LUT哪个输出！！！真的太巧妙了。

（3）实现6变量任意逻辑函数有了5变量的基础，实现六变量就好理解了，六变量逻辑函数需要俩个微片。因为由2^6=64嘛。我们假设要实现W=A^B&C||D&E&F。则可以让微片一号的G-LUT存放地址ABCD任意值E=0,F=1，F-LUT存放ABCD任意值E=1,F=1。E从BX输入。微片二号G-LUT存放地址ABCD任意值E=0,F=0，F-LUT存放ABCD任意值E=1,F=0。E从BX输入，F从BY输入。微片一号从F5输出值接到微片二号的F5IN即可完成。结果可经过YMUX从Y输出，可再经DYBMUX由触发器输出。（4）2位二进制加法器

一个微片可以实现2位二进制的加法运算就是11+11=110,10+01=11这些，加法器是非常重要的器件，日后详谈。在FPGA内部中，实现加法时，加数A0A1和被加数B0B1分别送入G2F2和G1F1，即G2=A1,G1=B1,F2=A0,F1=B0。实现F2⊕F1和G2⊕G1，由于加法涉及到了进位问题，故CLB专门设计了一个叫做进位链的东西以便实现进位操作。同时，通过编程使XMUX和YMUX选通异或门的输出。电路上下俩个是全加器。图中，与门、XCMUX、YCMUX、C-1MUX和CY构成进位逻辑电路。也称进位链，可以与其他微片串联实现更多的加法运算。当此微片为最低位时，通过编程使C-1MUX选通BX，且使BX=0。就这个微片，小小的微片，愣生生的“山寨”了小俩千字，真佩服设计者的智慧，如果将此看做一件艺术品的话，我想匠心独运名副其实。山寨源： [1]度娘友情提供 [2]康华光老师主编的电子技术基础数字部分（第五版）全程赞助

（未完待续）

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