2. FPGA的电路结构概述

文章目录

1. 引言
2. FPGA的一般结构
- 2.1 概要
- 2.2 FPGA三部分构成间的关系：
3. 小结

1. 引言

结构决定原理。原理未必决定结构。
理解FPGA结构，进而能阐明其工作原理很有必要。
FPGA产品的风云变换，其基本结构保持相对不变。

2. FPGA的一般结构

2.1 概要

不同FPGA厂家的产品有各自特点，但芯片结构类似
FPGA芯片内部结构通常由如下三部分构成：
- 输入输出块(IOB,Input Output Block)：为待实现的数字系统提供可编程的输入、输出端口，相当于PCB板的外部接线端子。
- 逻辑阵列块(LAB,Logic Array Block)：有的厂家也称之为CLB，configurable Logic block,它是实现数字逻辑的基本单元。
- 连线资源：相当于PCB板上的导线，只不过，PCB板一旦制造好了，导线就难以更改，而FPGA的“导线”可以通过编程修改。连线资源使得我们可以将各个LAB、IOB端口按照设计合理的连线。

2.2 FPGA三部分构成间的关系：

回想一下我们在最初的数字电路实验课上，我们是如何搭建一个简单的数字电路的，例如一个模数为60、输出为8421BCD码的计数器（最终要把输出信号送往2个七段数码管驱动电路的输入端，以便显示出结果），要求通过实验箱上提供的脉冲发生器、电源、以及老师发给我们的中规模集成电路芯片（如74LS20（四输入与非门）、74LS00（二输入与非门）、74LS161（4位二进制计数器））以及互联导线，让我们设计并验证电路。
上述场景中的实验箱及所有用到的器件、导线等全部数字设计资源相当于1块FPGA开发板（上面已经焊接好了FPGA芯片及外围电路（如脉冲发生器、电源、LED灯、七段数码管等）），而我们拿到的各个中规模集成器件，就相当于FPGA芯片中的LAB，我们最终引出输出（或输入）的插线口相当于FPGA芯片的IOB，我们使用导线把元器件互联起来，并把输出信号通过导线连到信号（输入）输出端，这些导线就相当于FPGA芯片中的连线资源。
不同的是，FPGA芯片中的IOB、LAB（或CLB）、连线资源都是可编程的（可以通过EDA软件修改的）。
基于中规模数字芯片设计数字系统，是一个给定约束条件（有什么芯片，有那些连线端口，有那些连线）下的数字系统设计问题，
同样，基于FPGA设计数字系统，也是一个给定约束条件（有什么LAB块、有那些IOB块，有那些互连线资源）下的数字系统设计问题。
理解了数字电路中基于中规模芯片的电路设计实现过程，也能很好的理解FPGA三部分构成间的关系，即：
LAB相当于基本功能器件；IOB相当于信号的输入、输出端口；互连线资源相当于导线，把输入输出信号、各个基本器件的输入、输出按照逻辑综合后的网表中信号的连接关系，连接起来。

FPGA EDA软件为用户提供了巨大的便利，用户只需要按照一般原理设计出电路的门级（甚至是高级）描述，这些软件能自动帮我们完成门级到FPGA内部实现资源的映射，我们只重点关注前端逻辑的设计即可，至于类似于PCB版的布局、布线都由EDA软件自动完成，而且，也只能由他们完成。因为数字系统的规模很大，手工布局布线几乎不可行！

题外话：我们在享受着EDA的便利，但往往忘记EDA自身的开发，是一种非常具有挑战性的工作，它不仅要求开发者具备数字设计硬件知识，也具有高超的编程技术！！！