简单易懂的FPGA芯片内部硬件介绍

FPGA（Filed programmable gate device）：现场可编程逻辑器件

FPGA基于查找表加触发器的结构，采用SRAM工艺，也有采用flash或者反熔丝工艺；主要应用高速、高密度大的数字电路设计。

FPGA由可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源（时钟/长线/短线）、底层嵌入功能单元、内嵌专用的硬核等组成；

目前市场上应用比较广泛的FPGA芯片主要来自Altera与Xilinx。另外还有其它厂家的一些低端芯片(Actel、Lattice)。

这里主要介绍AlteraCyclone II系列FPGA的内部硬件结构：

1.FPGA器件结构

2.可编程输入/输出单元IOE

3.可编程逻辑单元LE

4.嵌入式块RAM

5.布线资源

6.底层嵌入功能单元

FPGA器件结构

Altera cyclone IV器件结构

FPGA的内部结构包括：

1.可编程逻辑门阵列，由最小单元LE组成

2.可编程输入输出单元IOE

3.嵌入式RAM块，为M4K块，每个的存储量为4K，掉电丢失

4.布线网络

5.PLL锁相环，EP4CE6E22C8N最大的倍频至250MHz,这也是该芯片的最大工作

可编程输入/输出单元IOE

可编程I/O，可配置成OC门、三态门、双向IO、单端／差分等；支持各种不同的I/O标准：LVTTL、LVCOMS、SSTL、LVDS、HSTL、PCI等；

Altera 器件IOE结构

Altera器件的输入输出结构：可配置成三态、输入／输出、双向IO

Altera器件中cyclone系列中的IOE结构是基本的输入、输出、使能的触发器结构。

可编程逻辑单元LE

基本可编程逻辑单元LE由查找表(Look up table)触发器(FF)组成，而LE是组成LAB的最小单元；

LUT一般是4输入查找表，高端器件（xilinx v5）采用LUT-6结构；LUT可看成4位地址线的16x1的RAM 结构。

FF是可编程的触发器，可配置成同步/异步复位、同步/异步置位、使能、装载等功能触发器。

可编程逻辑块：

Altera:LAB

Xilinx:CLB

Xilinx CLB由四个SLICE构成；而Altera的LAB由16个/8个LE构成；

基本逻辑单元LE/SLICE：

Altera:LE

Xilinx:SLICE

xilinx 为SLICE:包括两个LUT-4/两个FF;

altera为LE:包括一个LUT-4/一个FF;

嵌入式块RAM

嵌入式块RAM可配置单/双端口RAM、伪双端口RAM、ROM、FIFO、SHIFT、CAM等；不同厂家的块RAM大小不一样：

Altera：M512、M4K M4K、M-RAM(512K)；

Xilinx：18kbit；

Lattic：9kbit；

Altera：M4K：

布线资源

全局布线资源：用于全局时钟/全局复位/全局置位布线；

长线资源：用于BANK或者嵌入式功能单元的高速信号或者第二全局时钟的布线；

短线资源：用于其中逻辑单元间的逻辑互联与布线；

全局布线资源：

全局时钟树：

底层嵌入式功能块

主要是指PLL/DPLL、DCM、DSP48、乘法器、嵌入式硬核/软核；

Xilinx：DCM、DSP48/48E、DPLL、Multiplier等

Altera：PLL/EPLL/FPLL、DSPcore等；

Multiplier结构

PLL/DCM：嵌入式锁相环

Altera:PLL

Xilinx:DCM

Altera的Cyclone II器件最多有四个PLL，分布在芯片四个角；需要主要的是Altera的PLL是模拟锁相环，在电源／地方面要做考虑。

Xilinx的spatan-3器件最多有四个DCM，也是分布在芯片四个角。

两者的区别：Altera的PLL可支持较低的输入频率，可Xilinx的DCM支持的最低锁相频率为24/32MHz；但Xilinx的高端器件Virtex-5的DPLL可达到很低的输入频率。

内嵌专用硬核

指高速串行收发器；GMAC、SERDES、PCIe等；

Xilinx：GMAC、SERDES、PCI、GTX、GRX

Atera：GMAC、SERDES、PCIe、SPI.4/SFI.5