现场可编程门阵列的结构与设计

摘要：现场可编程门阵列（FPGA——Field Programmable Gate Array)是上世纪80年代末发展起来的新型大规模集成逻辑器件。它采用高级计算机辅助设计技术进行器件的开发与设计,其优越性大大超过普通TTL集成门。重点介绍了FPGA的基本组成原理及设计方法。

关键词：现场可编程门阵列；可配置逻辑块；专用集成电路

1 引言

FPGA是上世纪80年代末开始使用的大规模可编程数字集成电路器件。它充分利用计算机辅助设计技术进行器件的开发与应用。用户借助于计算机不仅能自行设计专用集成电路芯片，还可在计算机上进行功能仿真和实时仿真，及时发现问题，调整电路，改进设计方案。这样，设计者不必动手搭接电路、调试验证，只须在计算机上操作很短的时间，即可设计出与实际系统相差无几的理想电路。而且，FPGA器件采用标准化结构，体积小、集成度高、功耗低、速度快，可无限次反复编程，因此，成为科研产品开发及其小型化的首选器件，其应用极为广泛。

2 FPGA的基本组成原理

FPGA的基本组成与生产厂家有关，不同厂家的器件其结构、工艺技术和编程方法各不相同。目前国内广泛使用Xilinx公司生产的FPGA器件。XilinxFPGA采用逻辑单元阵列(Logic Cell Array—简称LCA)结构，其示意图如图1所示。

图1 Xilinx公司FPGA结构图

由图1可知，XilinxFPGA由3个可编程基本单元阵列组成：输入/输出块(I/OBlock—简称I/OB)阵列，可配置逻辑块(Configurable LogicB lock—简称CLB)阵列及可编程互连网络(Programmable Interconnect—简称PI)。其中输入/输出块排列在芯片周围，它是可配置逻辑块与外部引脚的接口。可配置逻辑块是FPGA的核心，它以矩阵形式排列在芯片中心。每个CLB均可实现一个逻辑功能小单元。各CLB之间通过互连网络编程连接，以实现复杂的逻辑功能。

3 FPGA的开发过程

FPGA的开发过程依赖于它的软件开发系统,其设计流程如图2所示。

由图2可知，FPGA的基本设计流程分为3部分：设计输入，设计实现及设计验证。

图2FPGA的基本设计流程