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原创 【转】FPGA查找表分析

2013-11-7 16:20 420 1 1 分类: 工程师职场

一.查找表(Look-Up-Table)的原理与结构

采用这种结构的PLD芯片我们也可以称之为FPGA:如altera的ACEX,APEX系列,xilinx的Spartan,Virtex系列等。

查找表(Look-Up-Table)简称为LUT,LUT本质上就是一个RAM。 目前FPGA中多使用4输入的LUT,所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的16x1的RAM。 当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后,PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能的结果,并把结果事先写入RAM,这样,每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表,找出地址对应的内容,然后输出即可。

下面是一个4输入与门的例子,

实际逻辑电路
LUT的实现方式

a,b,c,d 输入

逻辑输出
地址
RAM中存储的内容

0000

0
0000
0
0001
0
0001
0
....
0
...
0
1111
1
1111
1

 

 

二.基于查找表(LUT)的FPGA的结构

 

我们看一看xilinx Spartan-II的内部结构,如下图:

xilinx Spartan-II 芯片内部结构
Slices结构

Spartan-II主要包括CLBs,I/O块,RAM块和可编程连线(未表示出)。在spartan-II中,一个CLB包括2个Slices,每个slices包括两个LUT,两个触发器和相关逻辑。 Slices可以看成是SpartanII实现逻辑的最基本结构 (xilinx其他系列,如SpartanXL,Virtex的结构与此稍有不同,具体请参阅数据手册)

altera的FLEX/ACEX等芯片的结构如下图:

altera FLEX/ACEX 芯片的内部结构

 

逻辑单元(LE)内部结构

FLEX/ACEX的结构主要包括LAB,I/O块,RAM块(未表示出)和可编程行/列连线。在FLEX/ACEX中,一个LAB包括8个逻辑单元(LE),每个LE包括一个LUT,一个触发器和相关的相关逻辑。LE是FLEX/ACEX芯片实现逻辑的最基本结构(altera其他系列,如APEX的结构与此基本相同,具体请参阅数据手册)

 

三.查找表结构的FPGA逻辑实现原理

 

我们还是以这个电路的为例:

A,B,C,D由FPGA芯片的管脚输入后进入可编程连线,然后作为地址线连到到LUT,LUT中已经事先写入了所有可能的逻辑结果,通过地址查找到相应的数据然后输出,这样组合逻辑就实现了。 该电路中D触发器是直接利用LUT后面D触发器来实现。时钟信号CLK由I/O脚输入后进入芯片内部的时钟专用通道,直接连接到触发器的时钟端。触发器的输出与I/O脚相连,把结果输出到芯片管脚。这样PLD就完成了图3所示电路的功能。(以上这些步骤都是由软件自动完成的,不需要人为干预)

这个电路是一个很简单的例子,只需要一个LUT加上一个触发器就可以完成。对于一个LUT无法完成的的电路,就需要通过进位逻辑将多个单元相连,这样FPGA就可以实现复杂的逻辑。

由于LUT主要适合SRAM工艺生产,所以目前大部分FPGA都是基于SRAM工艺的,而SRAM工艺的芯片在掉电后信息就会丢失,一定需要外加一片专用配置芯片,在上电的时候,由这个专用配置芯片把数据加载到FPGA中,然后FPGA就可以正常工作,由于配置时间很短,不会影响系统正常工作。 也有少数FPGA采用反熔丝或Flash工艺,对这种FPGA,就不需要外加专用的配置芯片。

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