FPGA內部基本結構包括哪些

FPGA的基本組成有：可編程I\O單元、基本可編程邏輯單元、內嵌RAM塊、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元和內嵌專用硬核等。

1、可編程I\O單元：

可編程I\O單元通過軟件可適配不同的電氣標準與物理特性。

2、基本可編程邏輯單元：

基本可編程邏輯單元是FPGA可編程邏輯的主體。FPGA一般是基于SRAM工藝。其基本可編程邏輯單元幾乎都是由查找表（LUT，LookUpTable）和寄存器（Register）組成。FPGA內部的LUT一般為4輸入，主要完成純組合邏輯功能。而內部寄存器結構相當靈活，可配置為帶同步、異步復位或置位、時鐘使能的觸發器（FF，FlipFlop），也可配置為鎖存器（Latch）。FPGA一般依賴寄存器完成同步時序邏輯設計。

比較經典的基本可編程邏輯單元的配置是一個寄存器和一個查找表。但不同廠商的寄存器和查找表的內部結構有一定差異，而且寄存器和查找表的組合模式也不同。

（1）Alerta的可編程邏輯單元通常被稱為LE（LogicElement，邏輯單元），由一個Register和一個LUT組成。而Altera的大多數FPGA又將10個LE有機組合起來，構成更大的邏輯功能單元——邏輯陣列模塊（LAB，LogicArrayBlock），LAB中除了LE還包含LE間的進位鏈、LAB控制信號、局部互連線資源、LUT級聯鏈、寄存器級聯鏈等連線和控制資源。

（2）Xilinx的可編程邏輯單元被稱為Slice，由上下兩部分組成。每部分都由一個Register和一個LUT組成，被稱為LC（LogicCell，邏輯單元），兩個LC間有一些共用邏輯?？梢酝瓿蒐C之間的配合與級聯。

（3）Lattice的可編程邏輯單元叫PFU（ProgrammableFunctionUnit，可編程功能單元），由8個LUT和8—9個Register組成。

一般使用器件的Register和LUT的數量衡量器件的規模比較準確。

3、內嵌RAM塊：

FPGA的內嵌RAM塊可以靈活配置為單端口RAM（SPRAM，SinglePortRAM），雙端口RAM（DPRAM，DoublePortRAM），偽雙端口RAM（PseudoDPRAM），CAM（ContentAddressableMemory），FIFO（FirstInputFirstOutput）等常用存儲器結構。

FPGA中沒有專用的ROM硬件資源，實現ROM的思路是對RAM賦予初值，并保持該初值。

CAM，即內容地址存儲器。CAM這種存儲器在其每個存儲單元都包含了一個內嵌的比較邏輯，寫入CAM的數據會和其內部存儲的每一個數據進行比較，并返回與端口相同的所有內部數據的地址。

總之，RAM是一種根據地址讀、寫數據的存儲單元，而CAM返回的是與端口數據相匹配的內部地址。

FPGA內部實現RAM、ROM、CAM、FIFO等存儲結構是基于內嵌RAM塊的，并根據需求自動生成相應的粘合邏輯（GlueLogic）以完成地址和片選等控制邏輯。

Xilinx常見的RAM塊大小是4Kbit和18Kbit兩種結構，Lattice常用的RAM塊大小是9Kbit，Altera的RAM塊最為靈活，一些高端器件內部同時含有兩種RAM塊結構，分別是M9KRAM（9Kbit），M-144K（144Kbit）。

除了RAM外，Altera、Xilinx和Lattice的FPGA還可以靈活的將LUT配置成RAM、ROM、FIFO等存儲結構，這種技術被稱為分布式RAM（DistributedRAM）。

4、豐富的布線資源

布線資源連通FPGA內部所有單元，連線的長度和工藝決定了信號在連線上的驅動能力和傳輸速度。有以下三種布線資源可供利用。

（1）全局性的專用布線資源：用來完成器件內部的全局時鐘和全局復位\置位的布線。

（2）長線資源：完成器件Bank間的一些高速信號和一些第二全局時鐘信號的布線。

（3）短線資源：完成基本邏輯單元之間的邏輯互聯和布線。

（4）在基本邏輯單元內部還存在各式各樣的布線資源和專用時鐘、復位等控制信號線。

5、底層嵌入功能單元

通用程度較高的嵌入功能模塊，如PLL（PhaseLockedLoop），DLL（DelayLockedLoop），DSP和CPU等。

Altera芯片集成的是PLL，Xilinx芯片主要集成的是DLL，Lattice的新型FPGA同時集成了PLL與DLL以適應不同的需求。

Altera芯片的PLL模塊分為增強型PLL（EnhancedPLL）和快速PLL（FastPLL）。

Xilinx芯片DLL的模塊名稱為CLKDLL，在高端FPGA中CLKDLL的增強型模塊為DCM（DigitalClockManager，數字時鐘管理模塊）。

6、內嵌專用硬核

內嵌專用硬核的通用性相對較弱，不是所有FPGA器件都包含硬核。

FPGA內部也有兩個陣營：一方面是通用性較強，目標市場范圍很廣，價格適中的FPGA；另一方面是針對性較強，目標市場明確，價格較高的FPGA。