FPGA底层原理结构及内部资源

最新推荐文章于 2025-06-28 17:35:16 发布
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分类专栏： FPGA 文章标签： FPGA 底层资源
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本文链接：https://blog.youkuaiyun.com/qq_15026001/article/details/99691999
本文深入探讨FPGA的内部组成，包括CLB、触发器、IOB和BRAM等关键资源。CLB由可配置逻辑块构成，触发器分为D触发器和锁存器，IOB是与外部电路交互的接口，BRAM则提供片上存储功能。理解这些底层结构对于优化FPGA设计至关重要。

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FPGA底层原理结构及内部资源

FPGA组成结构

博主刚开始接触FPGA时是在大三上EDA实验课，当时就对这种这种芯片的强大好奇，当时实验课用的VHDL语言，当时觉得这种并行的语言很有趣。后续又自学了verilg,从此就迈上了这条不归路，经过几年学习总感觉没啥进步，当初以为自己会用verilog就代表懂了FPGA，对于FPGA结构了解很少。本博文主要介绍FPGA内部组成以及资源。
FPGA内部主要有CLB（可配置逻辑块），IOB(输入输出单元)，Block ram,丰富的布局布线资源以及底层嵌入的逻辑支援例如dsp,FIFO等逻辑资源供用。

FPGA资源分布图

博主以xilinx的K7系列的一款FPGA为例介绍：
FPGA内部资源分布

FPGA管脚

Package

CLB

CLB结构如图
在这里插入图片描述
其中CLB又由SLICEL与SLICEM两部分组成,其中这两部分有些许差异，SLICEL通常用来产生时序与组合逻辑，而SLICEM和还可以作为mem，移位寄存

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FPGA的IOB是输入/输出块(Input/Output Block)的简称，它是FPGA内部实现复杂逻辑的关键部分，负责处理输入输出信号。IOB内部包含了一系列的逻辑单元，用以完成信号的缓冲、驱动、映射等功能。在FPGA中，CLB是实现逻辑功能的基本单元，一个CLB由2个slice组成，slice可以分成以下的两类：SliceM（Memory）和SliceL（Logic）。通过 FPGA 芯片提供的DCM 功能， 可灵活地控制时钟频率、相位转换和时钟脉冲相位差。1个进位链（Carry Chain）
【FPGA基础篇】底层结构组成
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文章目录前言CPU和DSP、FPGA、ASIC对比FPGA和CPLD比较FPGA基础IOB——输入输出单元CLB——可编程逻辑模块LUT——查找表MUX——选择器（复用器）Carry Chain——进位链Flip-Flop——触发器BRAM——块RAMDCM——数字时钟管理器布线资源内嵌的底层功能单元内嵌专用硬件模块可参考文献 前言 CPU和DSP、FPGA、ASIC对比 CPU和DSP：软件可编程、灵活性高、功耗高 FPGA：硬件可编程、灵活性高、功耗较低 ASIC：特定应用固化、不可编程，不灵活，功耗很
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FPGA中丰富的布线资源.docx
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<think>嗯，用户想了解FPGA的底层结构和工作原理，特别是架构组成和工作机制。这需要从硬件底层开始梳理。 用户可能正在学习数字电路设计，或者是嵌入式系统开发者想深入硬件层面。考虑到FPGA的复杂性，需要分层解析才能讲清楚。之前引用的资料提到BEL/Site/Tile等层级结构，这确实是理解FPGA的关键切入点。 先从最基础单元说起：逻辑单元部分，可配置逻辑块（CLB）是核心，每个CLB包含查找表（LUT）和触发器（FF）。LUT本质上是个小型RAM，能实现任意组合逻辑函数，比如用户输入4位地址就能输出16种逻辑运算结果。而触发器负责时序处理，两者配合就能搭建复杂电路。 布线资源容易被忽略但极其重要。FPGA内部有金属线段和开关矩阵组成的网络，用户配置时工具会自动生成最优走线方案。引用资料里提到的"布线BEL"就是这些可编程连接点，它们不处理逻辑但决定信号传输质量。 IO模块需要单独说明，因为FPGA要与外部器件通信。这些可配置的I/O支持不同电压标准和接口协议，比如用户做视频处理时可能需要LVDS电平，做控制时又用3.3V CMOS。 存储和运算资源也得强调。现在的FPGA都内置Block RAM，像Xilinx的UltraRAM能提供数百Mb容量，避免外部存储延迟。DSP切片则是为乘加运算优化的硬核，比用LUT搭乘法器快几十倍。 时钟系统特别关键。全局时钟树和区域时钟资源确保时序同步，否则高速设计会崩溃。比如用户做200MHz采样时，时钟偏斜必须控制在皮秒级。 最后解释配置原理：上电时从外部闪存加载比特流，这个二进制文件定义了所有可编程元件的状态和连接。配置完成后FPGA就成为定制硬件，这个过程就像把空白电路板"烧录"成特定功能的芯片。 用户可能会追问具体厂商差异，比如Xilinx的Slice和Intel的LAB结构区别，或者想知道如何估算LUT资源用量。这些都可以作为延伸问题准备。</think>## FPGA底层架构与工作原理详解 ### 一、核心硬件架构层级（自底向上） 1. **基本逻辑单元（BEL - Basic Element of Logic）** - **查找表（LUT）**：实现组合逻辑的核心单元，本质是小型RAM。一个4输入LUT可执行任意4变量布尔函数（$f(x_0,x_1,x_2,x_3)$），通过预载真值表实现逻辑功能。 - **触发器（FF）**：存储时序状态，与LUT共同构成可编程逻辑单元。 - **进位链（Carry Chain）**：专用高速路径，优化算术运算（如加法器）。 2. **逻辑单元（Site）** BEL组合形成基本逻辑单元（如Xilinx的SLICEL/SLICEM），典型包含： - 4个6输入LUT + 8个FF - 多路选择器、快速进位逻辑 3. **逻辑块（Tile）** 多个Site构成Tile（如CLB - Configurable Logic Block），包含： ```plaintext ┌───────────────┐ │ SLICEL (Site)│─── 内部快速互连 ├───────────────┤ │ SLICEM (Site)│─── 布线资源 └───────────────┘ ``` 4. **全局结构（Device）** - **可编程布线资源**：纵横交错的金属线与可编程开关（传输管），实现Tile间信号路由[^1]。 - **专用硬核**： - **块RAM（Block RAM）**：分布式存储单元（如36Kb BRAM） - **DSP切片**：硬件乘法器/累加器（$a \times b + c$） - **时钟管理单元（CMT）**：PLL/DLL生成精确时钟 - **I/O Bank**：支持多种电平标准（LVDS, LVCMOS） ### 二、核心工作原理 1. **配置过程** - 上电加载比特流（Bitstream）到**配置存储器**（SRAM/Flash） - 比特流定义： - LUT真值表内容 - 布线开关通断状态 - I/O电气特性 2. **逻辑实现机制** - **组合逻辑**：LUT存储真值表（例：实现 $F = A \oplus B$ 需写入{0,1,1,0}） - **时序逻辑**：FF存储LUT输出，时钟由全局网络分发 - **例：4位加法器实现** ```verilog // LUT实现1位全加器 assign {cout, sum} = a + b + cin; // 实际由LUT+进位链硬件实现 ``` 3. **布线资源工作** - 开关矩阵建立信号路径： ``` Tile_A → 水平线 → 开关 → 垂直线 → Tile_B ``` - **关键路径优化**：工具自动选择最短布线降低延迟 ### 三、典型FPGA结构示意图 ```plaintext +-----------------------------------------------------------------+ | I/O Bank | Block RAM | DSP Slice | I/O Bank | |------------+---------------+-------------------+----------------| | Clock Mgmt| ┌───┐ ┌───┐ | ┌─────┐ ┌─────┐ | Configuration | | | │CLB│ │CLB│ | │DSP48│ │DSP48│ | Interface | | | └─┬─┘ └─┬─┘ | └─────┘ └─────┘ | | | | │布线资源│ | | | | | ┌─▼─┐ ┌─▼─┐ | ┌───┐ ┌───┐ | | | | │CLB│ │CLB│ | │BRAM│ │BRAM│ | | +-----------------------------------------------------------------+ ``` ### 四、关键特性 1. **并行处理能力** 数据流示例： ``` 输入 → [DSP链] → [BRAM缓存] → [逻辑处理] → 输出 ▲ │ │ └──反馈环路─┘ ▼ 时序约束校验 ``` 2. **动态重配置** 部分区域比特流可运行时更新，实现硬件功能切换 3. **功耗与性能平衡** - 静态功耗：晶体管漏电流（$P_{static} \propto V_{dd}$） - 动态功耗：$P_{dynamic} = C \cdot V_{dd}^2 \cdot f$ 通过时钟门控/电压调节优化 ---
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