浅谈FPGA芯片结构（一）

　　之前我们谈过FPGA相关内容，但是更多的是讲解了FPGA工作原理，并举了实际的例子，进行操作流程的说明，今天我们来谈一谈FPGA芯片结构。
　　FPGA芯片内部结构
　　目前大部分的FPGA仍是基于查找表（LUT）技术，但是随着版本的升级，代与代之间的基本功能差别很大，在现在的FPGA内部，整合了很多常用功能（如RAM、时钟管理 和DSP）的硬核（ASIC型）功能模块。
　　图一 FPGA芯片的内部结构
　　图一给出一个通用的内部结构模型，实际上不同系列的FPGA，内部的结构都不尽相同。但是从上图我们可以看出，FPGA芯片的主要部分由6大模块，分别为：可编程输入输出单元（IOB）、基本可编程逻辑单元（CLB）、数字时钟管理（DCM）、嵌入块式RAM（BRAM）、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。
　　下面我们一一介绍图一中的各个部分。模块单元内容介绍可编程输入输出单元（IOB）
　　可编程输入/输出单元，简称I/O单元，FPGA芯片通过这部分，与外围电路连接。在不同的电气特性下面，满足对输入/输出信号的驱动与匹配要求，其示意结构如图1-2所示。
　　图二 IOB内部结构
　　FPGA内的I/O一般按组进行分类，并且每组都能够独立地支持不同的I/O标准。一般通过软件的配置，使其能够适配不同的电气标准和I/O物理特性。
　　外部输入信号进入FPGA有两种模式。第一种，首先进入IOB模块的存储单元，然后再通过存储单元进入到FPGA的内部。第二种，直接输入FPGA 内部。如果为第一种情况，其对保持时间（Hold Time）的要求可以很低。
　　因为电器标准的多样性，以及为了方便管理，一般将FPGA的IOB划分为若干个组（bank），各个bank的接口标准，取决于接口电压VCCO，通常情况下，每个bank只能对应一种VCCO。只有相同电气标准的端口才能连接在一起，VCCO电压相同是接口标准的基本条件。可配置逻辑块（CLB）
　　CLB是FPGA内的基本逻辑单元。器件的不同，会使得CLB的实际数量和特性的不同，但是通常情况下，每个CLB都包含一个可配置开关矩阵，此矩阵由4或6个输入、一些选型电路（多路复用器等）和触发器组成。开关矩阵具有高度灵活性，可以对其进行配置，以便处理组合逻辑、移位寄存器或RAM。
　　在Xilinx公司的FPGA器件中，CLB由多个（一般为4个或2个） 相同的Slice和附加逻辑构成，如图三所示。每个CLB模块不仅可以用于实现组合逻辑、时序逻辑，还可以配置为分布式RAM和分布式ROM。
　　图三 CLB结构
　　Slice是Xilinx公司定义的基本逻辑单位，其内部结构如图四所示。
　　图四 4输入Slice结构
　　一个Slice由两个4输入的函数、进位逻辑、算术逻辑、存储逻辑和函数复用器组成。
　　算术逻辑包括一个异或门（XORG）和一个专用与门（MULTAND），一个异或门可以使一个Slice实现 2bit全加操作，专用与门用于提高乘法器的效率。
　　进位逻辑由专用进位信号和函数复用器（MUXC）组成，用于实现快速的算术加减法操作。
　　4输入函数发生器用于实现4输入LUT、分布式RAM或16比特移位寄存器（Virtex-5系列芯片Slice中的6输入函数有两个，可以实现6输入LUT或64比特移位寄存器。Virtex-7系列芯片Slice中的6输入函数有四个）。
　　进位逻辑包括两条快速进位链，用于提高CLB模块的处理速度。
　　小结
　　在讨论FPGA的逻辑资源的时候，一般有两种说法。一种是将CLB作为最小逻辑单元。但是因为CLB有两个slice构成，所以有人也将slice作为最小逻辑单元进行讨论。大量的slice和时钟，共同构成了数字电路。
　　剩余的部分，将在后面的文章中继续为大家呈现。
　　参考资料：Xilinx官方网站