FPGA 基础知识

1、查找表 LUT 和编程方式

第一部分： 查找表 LUT

FPGA 是在 PAL、GAL、EPLD、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。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足，又克服了原有可编程器件门电路有限的缺点。

由于 FPGA 需要被反复烧写，它实现组合逻辑的基本结构不可能像 ASIC 那样通过固定的与非门来完成，而只能采用一种易于反复配置的结构。查找表可以很好 地满足这一要求，目前主流 FPGA 都采用了基于 SRAM 工艺的查找表结构，也有一些军品和宇航级 FPGA 采用 Flash 或者熔丝与反熔丝工艺的查找表结 构。通过烧写文件改变查找表内容的方法来实现对 FPGA 的重复配置。

根据数字电路的基本知识可以知道，对于一个 n 输入的逻辑运算，不管是与或非运算还是异或运算等等，最多只可能存在 2n 种结果。所以如果事先将相应的结果存放于一个存贮单元，就相当于实现了与非门电路的功能。FPGA 的原理也是如此，它通过烧写文件去配置查找表的内容，从而在相同的电路情况下实现了不同的逻辑功能。

查找表(Look-Up-Table)简称为 LUT，LUT 本质上就是一个 RAM。目前 FPGA 中多使用 4 输入的 LUT，所以每一个 LUT 可以看成一个有 4 位地址线的 的 RAM。当用户通过原理图或 HDL 语言描述了一个逻辑电路以后，PLD/FPGA 开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把真值表(即结果)事先写入 RAM，这样， 每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。

下面给出一个 4 与门电路的例子来说明 LUT 实现逻辑功能的原理。

从中可以看到，LUT 具有和逻辑电路相同的功能。实际上，LUT 具有更快的执行速度和更大的规模。

第二部分： 编程方式

由于基于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， 可以完成极其复杂的时序与逻辑组合逻辑电路功能，所以适用于高速、高密度 的高端数字逻辑电路设计领域。其组成部分主要有可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、内嵌 SRAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用单 元等，主要设计和生产厂家有 Xilinx、Altera、Lattice、Actel、Atmel 和 QuickLogic 等公司，其中最大的是 Xilinx、Altera、Lattice 三家。

FPGA 是由存放在片内的 RAM 来设置其工作状态的，因此工作时需要对片内 RAM 进行编程。用户可根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。FPGA 有如下几种配置模式：

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