在我們深入了解FPGA的內部構造之前，讓我們先回顧一下其基本概念。FPGA是一種高度集成的可編程邏輯器件，它允許工程師通過軟件定義硬件功能，從而實現(xiàn)復雜的數(shù)字電路設計。這種靈活性使得FPGA在通信、計算、消費電子和工業(yè)控制等多個領域中得到廣泛應用。

簡化的FPGA內部結構圖

FPGA主要由六個部分組成，分別是：①可配置邏輯塊、②可編程內部連線、③可編程輸入輸出單元、④嵌入式塊RAM、⑤DSP計算單元、⑥內嵌專用硬核。

如圖所示

01

可配置邏輯塊（CLB）

如圖所示

FPGA的核心組成部分是可配置邏輯塊（Configurable Logic Block, CLB），它們構成了FPGA的基本邏輯單元。每個CLB通常包括一個查找表（Look-Up Table, LUT）、全加器、選擇器以及寄存器。其中，LUT是一個小型的存儲器，可以用來映射輸入到輸出的關系，從而實現(xiàn)任意組合邏輯功能。通過配置這些組件，用戶能夠定義CLB執(zhí)行特定的布爾函數(shù)，進而構建出復雜的功能模塊。

02

可編程內部連線

如圖所示

為了將各個CLB連接起來形成完整的電路，F(xiàn)PGA提供了多種類型的可編程內部連線資源。根據工藝、長度、寬度和分布位置的不同，這些連線資源可以分為以下四類：

• 全局布線資源：用于分配全局時鐘信號和復位信號。
• 長線資源：確保Bank間高速信號傳輸及第二全局時鐘分配。
• 短線資源：負責基本的邏輯單元之間的邏輯互聯(lián)與布線。
• 分布式布線資源：服務于專用時鐘、復位等控制信號。

03

可編程輸入輸出單元

如圖所示

位于FPGA邊緣的可編程輸入輸出單元（Programmable I/O Unit, PIO）是FPGA與外部世界溝通的橋梁。PIO支持多種電氣標準，并可通過開發(fā)工具進行靈活配置，以滿足不同的應用需求。

04

嵌入式塊RAM

如圖所示

嵌入式塊RAM為FPGA提供了必要的數(shù)據存儲能力，不僅支持高速緩存操作，還可以被配置成不同類型的存儲結構如RAM、ROM或FIFO等，以適應各種應用場景下的性能要求。

05

DSP計算單元

如圖所示

灰色方框部分是DSP（Digital Signal Processing）計算單元，其基礎功能是實現(xiàn)乘法與加法計算。在一般的FPGA內部結構介紹中，將其歸類到內嵌專用硬核中，但是隨著近年來AI技術的興起以及FPGA在AI領域廣泛應用，DSP為FPGA提供了算力支持，在此背景下，使得DSP數(shù)量在FPGA中成為了重要性能指標。

06

內嵌專用硬核

除了上述通用邏輯資源外，F(xiàn)PGA還集成了若干內嵌專用硬核，比如PLL（Phase-Locked Loop，鎖相環(huán)）、硬核處理器（如ARM核心）以及SerDes（Serializer/Deserializer，串行化/解串行化接口）。這些硬核模塊顯著增強了FPGA的功能性，使其能夠更好地支持特定任務或協(xié)議。圖中示例是一個PLL鎖相環(huán)電路，為FPGA提供時鐘分頻、倍頻、相位控制等功能。

如圖所示

思考題解答：LUT如何實現(xiàn)組合邏輯？

LUT本質上是一張預先定義好的真值表，當給定一組輸入時，它會依據這張表返回相應的輸出值。對于N個輸入變量，LUT需要具備2?個條目來覆蓋所有可能的輸入組合。通過這種方式，LUT可以模擬任何組合邏輯表達式。例如，在二輸入的情況下，LUT可以用四個條目表示AND、OR、XOR等各種基本邏輯門的行為。更重要的是，由于LUT的內容是可以重新加載的，所以它可以動態(tài)地改變所實現(xiàn)的邏輯功能，這正是FPGA實現(xiàn)邏輯可編程性的基礎。

綜上所述，F(xiàn)PGA以其高度靈活的架構和強大的編程能力，成為了現(xiàn)代電子系統(tǒng)設計中不可或缺的一部分。通過對CLB、連線資源、I/O單元、塊RAM、DSP單元以及內嵌專用硬核的理解，我們可以更深入地探索這一強大技術背后的原理，并將其應用于更加廣泛的實踐中。

為了進一步提升大家的專業(yè)技能，我們之后還會發(fā)布一系列相關知識點，涵蓋FPGA的基本原理、設計流程、應用案例等多個方面，幫助大家更好地掌握這一前沿技術。敬請期待！