【芝士】VLSI第二讲：FPGA结构基础

微时灬暮雨

作为上次企划的后续，本次介绍一下FPGA的基础知识，为后面的内容分享打好基础

, A1 C& L7 B4 H- m6 {一、定义
- e4 v! u2 s9 B8 QASIC：Application Specific Integrated Circuit 专用集成电路，如CPU、GPU、DSP
设计人员根据特定的应用需求，设计专用的逻辑电路，之后生成网表，交给芯片制造厂家（TSMC）流片
+ w1 D% _7 E+ y/ L( m流片后，内部逻辑电路就固定了，芯片的功能也就固定的
优点：
. a; p2 P9 V/ G7 s2 N- o' K) L1、性能优越
1 x0 R4 E7 Q0 ^1 A2、可靠性高
6 ~- K% L: l  ~" Q3、大批量下单位成本低
  r# {  R, Q% h* f缺点：
1、开发周期长、设计工具及设计流程复杂、快速进入市场的压力大
2、功能固定，不利修改和扩展
% P# F3 C$ d# k+ G1 }3、NRE费用高
/ f9 P  p) Q7 `2 o; j' g9 o4、设计工具及开发人员昂贵
用途：
1、设计规模大，复杂度高的芯片
2、成熟度高，产量大的产品

3 Q& l$ S1 L8 o) D# n4 l( Z6 S
) O9 o0 n1 ]) ?- f0 T* y  X% V3 bFPGA：Field Programmable Gate Arrays 现场可编程门阵列，如Xilinx、Altera（Intel）
设计人员根据需求选择FPGA器件，然后设计逻辑电路，下载到FPGA器件中去，
实现需求的电路功能，随时可以修改电路功能
; P" |3 f6 n- w: z: f优点：
1、开发初期无投入资金壁垒
2、设计工具使用方便，设计简单快速
/ h- z( E+ K; V! T) J5 _3 J3、产品原型机开发时间短 管脚定义灵活，便于PCB布板
4、随时进行硬件功能设计修改
# B3 Y- W( C9 B缺点：
1、单位成本高
4 c! ^2 @' Z# i! j2、可靠性低/功耗大
0 F* |6 L$ ~' |3 X3、性能低
) a7 m1 G$ j- s  J* l" ^用途：
1、要求快速迭代或者小批量产品
2、作为ASIC的算法验证加速
# i; O) j8 R" @4 H% l- C
二、FPGA基本结构
" N+ H2 ^* f4 w, I1、CLB, Configurable Logic Block：可配置逻辑块，主要的逻辑资源 。组合逻辑、时序逻辑和存储单元
2、Programmable I/O Block：可编程的I/O模块，芯片与外部的接口；不同电气特性输入/输出信号的驱动和匹配
3、Programmable Interconnect：CLB之间或CLB和IOB之间进行互连
, J: b% T2 j7 Q8 m7 b! ^! S4、Configuration Memory ：通过写配置存储器实现系统功能，“可编程”的概念CLB实现的逻辑、CLB之间的互连、CLB和IOB之间互连；用户不可见；往配置存储器中写入不同的内容，实现不同的系统功能

$ ]5 \  ~0 T3 v# H" W
5、Block RAM：增加片上存储资源；单端口RAM、双端口RAM、FIFO等
; I  ^$ p" l( y3 A" B6、专用DSP模块：加法器、乘法器、累加器
, q/ x8 b7 m0 y1 w0 v7、嵌入式处理核 ：软核：PicoBlaze核、MicroBlaze核；硬核：ARM核、PowerPC核
8、外设接口 ：PCI-E接口；Ethernet结构
% N4 v+ s4 r% E0 p+ r

) ~) t/ B0 u" [. Y5 u
三、查找表LUT
# g- W) `5 D5 N) L% n4 w* V对于一个n输入的逻辑运算，不管是与、或、非运算还是异或运算，最多只可能存在2^n种结果
( D; m" D4 t4 q' h6 t/ ?如事先将相应的结果存放于一个存储单元，就相当于实现了逻辑运算电路的功能
9 N. q" d* [# Q
7系列FPGA采用6-输入LUT结构:
/ b4 |' U2 r4 o+ ^, }1、实现任意6-输入逻辑功能
2、4选1的多路选择器

多路选择器拼接 ：实现更多输入的逻辑功能
2 M0 `# p5 g& ?* J2 d
两个LUT
3 H) I' E) I3 J" v. B1、任意7-输入逻辑功能
2、8选1的多路选择器
* T" ~3 Q5 A7 P6 U+ o; ]$ d( I
四个LUT
1、任意8-输入的逻辑功能
( m: d8 B* n7 t2、16选1的多路选择器

（好累，就写到这儿了）

! Q* m8 t# T5 a: i; w) T

. N2 ?( T: @6 Q  f8 T( Y6 [, A7 L
8 _. N3 @6 o( L
7 B% F; W) e$ V: K7 Q6 j: e1 B  U

/ Y* j1 }. |/ l+ t3 P7 |

navebayes

青叶1 发表于 2025-6-20 03:26
3 f7 f- {! O! ~' L6 [？我居然在老王看fpga

) K& L  [0 s: G0 I5 u& N( |这是正经板块的 ‘芝士计划’ 。 虽然已经不置顶了但是活动还在，可以通过tag去找
如果缺币又不想发资源可以来这里发科普类的小文章，只要不拙劣到离谱基本都给你过

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青叶1

？我居然在老王看fpga