如前所述，是在PAL
、GAL、EPLD
、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為ASIC領域中的一種半定製電路而出現的

，即解決了定製電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路有限的缺點。
 

由於需要被反複燒寫，它實現組合邏輯的基本結構不可能像ASIC那樣通過固定的與非門來完成
，而隻能采用一種易於反複配置的結構。查找表可以很好地滿足這一要求
，目前主流FPGA都采用了基於SRAM工藝的查找表結構
，也有一些軍品和宇航級FPGA采用Flash或者熔絲與反熔絲工藝的查找表結構。通過燒寫文件改變查找表內容的方法來實現對FPGA的重複配置。
 

根據數字電路的基本知識可以知道，對於一個n輸入的邏輯運算，不管是與或非運算還是異或運算等等
，最多隻可能存在2n種結果。所以如果事先將相應的結果存放於一個存貯單元，就相當於實現了與非門電路的功能。FPGA的原理也是如此
，它通過燒寫文件去配置查找表的內容，從而在相同的電路情況下實現了不同的邏輯功能。
 

查找表(Look-Up-Table)簡稱為LUT，LUT本質上就是一個RAM。目前FPGA中多使用4輸入的LUT，所以每一個LUT可以看成一個有4位地址線的 的RAM。 當用戶通過原理圖或HDL語言描述了一個邏輯電路以後，PLD/FPGA開發軟件會自動計算邏輯電路的所有可能結果，並把真值表(即結果)事先寫入RAM，這樣，每輸入一個信號進行邏輯運算就等於輸入一個地址進行查表，找出地址對應的內容
，然後輸出即可。
 

下麵給出一個4與門電路的例子來說明LUT實現邏輯功能的原理。
 

例1-1：給出一個使用LUT實現4輸入與門電路的真值表。

 

表1-1 4輸入與門的真值表
 

從中可以看到，LUT具有和邏輯電路相同的功能。實際上，LUT具有更快的執行速度和更大的規模。
 

由於基於LUT的FPGA具有很高的集成度，其器件密度從數萬門到數千萬門不等
，可以完成極其複雜的時序與邏輯組合邏輯電路功能，所以適用於高速
、高密度的高端數字邏輯電路設計領域。其組成部分主要有可編程輸入/輸出單元
、基本可編程邏輯單元
、內嵌SRAM、豐富的布線資源
、底層嵌入功能單元
、內嵌專用單元等
，主要設計和生產廠家有、Altera、Lattice、Actel、Atmel和QuickLogic等公司
，其中最大的是
、Altera、Lattice三家。
 

如前所述，FPGA是由存放在片內的RAM來設置其工作狀態的，因此工作時需要對片內RAM進行編程。用戶可根據不同的配置模式，采用不同的編程方式。FPGA有如下幾種配置模式：

並行模式：並行PROM、Flash配置FPGA;

主從模式：一片PROM配置多片FPGA;

串行模式：串行PROM配置FPGA;

外設模式：將FPGA作為微處理器的外設，由微處理器對其編程。
 

目前，FPGA市場占有率最高的兩大公司和Altera生產的FPGA都是基於SRAM工藝的，需要在使用時外接一個片外存儲器以保存程序。上電時，FPGA將外部存儲器中的數據讀入片內RAM
，完成配置後，進入工作狀態;掉電後FPGA恢複為白片，內部邏輯消失。這樣FPGA不僅能反複使用，還無需專門的FPGA編程器
，隻需通用的EPROM、PROM編程器即可。Actel、QuickLogic等公司還提供反熔絲技術的FPGA，隻能下載一次
，具有抗輻射、耐高低溫、低功耗和速度快等優點，在軍品和航空航天領域中應用較多
，但這種FPGA不能重複擦寫

，開發初期比較麻煩
，費用也比較昂貴。Lattice是ISP技術的發明者，在小規模PLD應用上有一定的特色。早期的Xilinx產品一般不涉及軍品和宇航級市場
，但目前已經有Q Pro-R等多款產品進入該類領域。
 

1.2.2 FPGA芯片結構
 

目前主流的FPGA仍是基於查找表技術的，已經遠遠超出了先前版本的基本性能，並且整合了常用功能(如RAM、時鍾管理和DSP)的硬核(ASIC型)模塊。如圖1-1所示(注：圖1-1隻是一個示意圖，實際上每一個係列的FPGA都有其相應的內部結構)，FPGA芯片主要由6部分完成，分別為：可編程輸入輸出單元、基本可編程邏輯單元、完整的時鍾管理、嵌入塊式RAM、豐富的布線資源、內嵌的底層功能單元和內嵌專用硬件模塊。

 

圖1-1 FPGA芯片的內部結構

1. 可編程輸入輸出單元(IOB)
 

可編程輸入/輸出單元簡稱I/O單元，是芯片與外界電路的接口部分，完成不同電氣特性下對輸入/輸出信號的驅動與匹配要求，其示意結構如圖1-2所示。FPGA內的I/O按組分類，每組都能夠獨立地支持不同的I/O標準。通過軟件的靈活配置
，可適配不同的電氣標準與I/O物理特性，可以調整驅動電流的大小，可以改變上、下拉電阻。目前
，I/O口的頻率也越來越高，一些高端的FPGA通過DDR寄存器技術可以支持高達2Gbps的數據速率。

 

圖1-2 典型的IOB內部結構示意圖
 

外部輸入信號可以通過IOB模塊的存儲單元輸入到FPGA的內部，也可以直接輸入FPGA 內部。當外部輸入信號經過IOB模塊的存儲單元輸入到FPGA內部時
，其保持時間(Hold Time)的要求可以降低，通常默認為0。
 

為了便於管理和適應多種電器標準
，FPGA的IOB被劃分為若幹個組(bank)，每個bank的接口標準由其接口電壓VCCO決定
，一個bank隻能有一種VCCO，但不同bank的VCCO可以不同。隻有相同電氣標準的端口才能連接在一起，VCCO電壓相同是接口標準的基本條件。
 

CLB是FPGA內的基本邏輯單元。CLB的實際數量和特性會依器件的不同而不同，但是每個CLB都包含一個可配置開關矩陣，此矩陣由4或6個輸入
、一些選型電路(多路複用器等)和觸發器組成。 開關矩陣是高度靈活的，可以對其進行配置以便處理組合邏輯
、移位寄存器或RAM。在Xilinx公司的FPGA器件中
，CLB由多個(一般為4個或2個)相同的Slice和附加邏輯構成
，如圖1-3所示。每個CLB模塊不僅可以用於實現組合邏輯、時序邏輯
，還可以配置為分布式RAM和分布式ROM。

 

 

 

圖1-3 典型的CLB結構示意圖
 

Slice是Xilinx公司定義的基本邏輯單位，其內部結構如圖1-4所示，一個Slice由兩個4輸入的函數、進位邏輯、算術邏輯、存儲邏輯和函數複用器組成。算術邏輯包括一個異或門(XORG)和一個專用與門(MULTAND)
，一個異或門可以使一個Slice實現2bit全加操作
，專用與門用於提高乘法器的效率;進位邏輯由專用進位信號和函數複用器(MUXC)組成，用於實現快速的算術加減法操作;4輸入函數發生器用於實現4輸入LUT、分布式RAM或16比特移位寄存器(Virtex-5係列芯片的Slice中的兩個輸入函數為6輸入，可以實現6輸入LUT或64比特移位寄存器);進位邏輯包括兩條快速進位鏈
，用於提高CLB模塊的處理速度。

 

圖1-4 典型的4輸入Slice結構示意圖

3. 數字時鍾管理模塊(DCM)
 

業內大多數FPGA均提供數字時鍾管理(Xilinx的全部FPGA均具有這種特性)。Xilinx推出最先進的FPGA提供數字時鍾管理和相位環路鎖定。相位環路鎖定能夠提供精確的時鍾綜合，且能夠降低抖動，並實現過濾功能。
 

4. 嵌入式塊RAM(BRAM)
 

大多數FPGA都具有內嵌的塊RAM
，這大大拓展了FPGA的應用範圍和靈活性。塊RAM可被配置為單端口RAM、雙端口RAM、內容地址存儲器(CAM)以及FIFO等常用存儲結構。RAM、FIFO是比較普及的概念
，在此就不冗述。CAM存儲器在其內部的每個存儲單元中都有一個比較邏輯
，寫入CAM中(zhong)的(de)數(shu)據(ju)會(hui)和(he)內(nei)部(bu)的(de)每(mei)一(yi)個(ge)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)比(bi)較(jiao)，並(bing)返(fan)回(hui)與(yu)端(duan)口(kou)數(shu)據(ju)相(xiang)同(tong)的(de)所(suo)有(you)數(shu)據(ju)的(de)地(di)址(zhi)，因(yin)而(er)在(zai)路(lu)由(you)的(de)地(di)址(zhi)交(jiao)換(huan)器(qi)中(zhong)有(you)廣(guang)泛(fan)的(de)應(ying)用(yong)。除(chu)了(le)塊(kuai)RAM，還可以將FPGA中的LUT靈活地配置成RAM、ROM和FIFO等結構。在實際應用中
，芯片內部塊RAM的數量也是選擇芯片的一個重要因素。

單片塊RAM的容量為18k比特，即位寬為18比特
、深度為1024
，可以根據需要改變其位寬和深度，但要滿足兩個原則：首先，修改後的容量(位寬 深度)不能大於18k比特;其次，位寬最大不能超過36比特。當然
，可以將多片塊RAM級聯起來形成更大的RAM，此時隻受限於芯片內塊RAM的數量
，而不再受上麵兩條原則約束。
 

5. 豐富的布線資源
 

布線資源連通FPGA內部的所有單元，而連線的長度和工藝決定著信號在連線上的驅動能力和傳輸速度。FPGA芯片內部有著豐富的布線資源，根據工藝
、長度、寬度和分布位置的不同而劃分為4類不同的類別。第一類是全局布線資源
，用於芯片內部全局時鍾和全局複位/置位的布線;第二類是長線資源，用以完成芯片Bank間的高速信號和第二全局時鍾信號的布線;第三類是短線資源
，用於完成基本邏輯單元之間的邏輯互連和布線;第四類是分布式的布線資源
，用於專有時鍾、複位等控製信號線。
 

在zai實shi際ji中zhong設she計ji者zhe不bu需xu要yao直zhi接jie選xuan擇ze布bu線xian資zi源yuan，布bu局ju布bu線xian器qi可ke自zi動dong地di根gen據ju輸shu入ru邏luo輯ji網wang表biao的de拓tuo撲pu結jie構gou和he約yue束shu條tiao件jian選xuan擇ze布bu線xian資zi源yuan來lai連lian通tong各ge個ge模mo塊kuai單dan元yuan。從cong本ben質zhi上shang講jiang，布bu線xian資zi源yuan的de使shi用yong方fang法fa和he設she計ji的de結jie果guo有you密mi切qie
、直接的關係。
 

6. 底層內嵌功能單元
 

內嵌功能模塊主要指DLL(Delay Locked Loop)、PLL(Phase Locked Loop)
、DSP和CPU等軟處理核(Soft Core)。現在越來越豐富的內嵌功能單元
，使得單片FPGA成為了係統級的設計工具，使其具備了軟硬件聯合設計的能力，逐步向SOC平台過渡。
 

DLL和PLL具有類似的功能
，可以完成時鍾高精度
、低抖動的倍頻和分頻，以及占空比調整和移相等功能。Xilinx公司生產的芯片上集成了DLL
，Altera公司的芯片集成了PLL


，Lattice公司的新型芯片上同時集成了PLL和DLL。PLL 和DLL可以通過IP核生成的工具方便地進行管理和配置。DLL的結構如圖1-5所示。

 

圖1-5 典型的DLL模塊示意圖
 

7. 內嵌專用硬核
 

內嵌專用硬核是相對底層嵌入的軟核而言的，指FPGA處理能力強大的硬核(Hard Core)，等效於ASIC電路。為了提高FPGA性能，芯片生產商在芯片內部集成了一些專用的硬核。例如：為了提高FPGA的乘法速度
，主流的FPGA中都集成了專用乘法器;為了適用通信總線與接口標準
，很多高端的FPGA內部都集成了串並收發器(SERDES)，可以達到數十Gbps的收發速度。
 

Xilinx公司的高端產品不僅集成了Power PC係列CPU
，還內嵌了DSP Core模塊
，其相應的係統級設計工具是EDK和Platform Studio

，並依此提出了片上係統(System on Chip)的概念。通過PowerPC、Miroblaze、Picoblaze等平台
，能夠開發標準的DSP處理器及其相關應用，達到SOC的開發目的。
 

1.2.3 軟核、硬核以及固核的概念
 

IP(Intelligent Property)核是具有知識產權核的集成電路芯核總稱，是經過反複驗證過的、具有特定功能的宏模塊，與芯片製造工藝無關
，可以移植到不同的半導體工藝中。到了SOC階段，IP核設計已成為ASIC電路設計公司和FPGA提供商的重要任務，也是其實力體現。對於FPGA開發軟件，其提供的IP核越豐富

，用戶的設計就越方便，其市場占用率就越高。目前
，IP核已經變成係統設計的基本單元，並作為獨立設計成果被交換、轉讓和銷售。
 

從IP核的提供方式上，通常將其分為軟核、硬核和固核這3類。從完成IP核所花費的成本來講

，硬核代價最大;從使用靈活性來講，軟核的可複用使用性最高。
 

軟核在EDA設計領域指的是綜合之前的寄存器傳輸級(RTL)模型;具體在FPGA設計中指的是對電路的硬件語言描述

，包括邏輯描述、網表和幫助文檔等。軟核隻經過功能仿真
，需要經過綜合以及布局布線才能使用。其優點是靈活性高、可移植性強，允許用戶自配置;缺點是對模塊的預測性較低，在後續設計中存在發生錯誤的可能性，有一定的設計風險。軟核是IP核應用最廣泛的形式。
 

固核在EDA設計領域指的是帶有平麵規劃信息的網表;具體在FPGA設計中可以看做帶有布局規劃的軟核，通常以RTL代碼和對應具體工藝網表的混合形式提供。將RTLmiaoshujiehejutibiaozhundanyuankujinxingzongheyouhuasheji，xingchengmenjiwangbiao，zaitongguobujubuxiangongjujikeshiyong。heruanhexiangbi，guhedeshejilinghuoxingshaocha，danzaikekaoxingshangyoujiaodatigao。muqian
，guheyeshiIP核的主流形式之一。
 

硬核在EDA設計領域指經過驗證的設計版圖;具體在FPGA設計中指布局和工藝固定、經過前端和後端驗證的設計
，設計人員不能對其修改。不能修改的原因有兩個：首先是係統設計對各個模塊的時序要求很嚴格
，不允許打亂已有的物理版圖;其次是保護知識產權的要求，不允許設計人員對其有任何改動。IP硬核的不許修改特點使其複用有一定的困難
，因此隻能用於某些特定應用，使用範圍較窄。