[计算机软件及应用]第03讲可编程逻辑器件

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1、第二章大规模现场可编程逻辑器件2.2基于SRAM编程的现场可编程逻辑器件2.2.1SRAMFPGA的基本结构和工作原理1.基本的SRAMFPGA编程原理即通过对FPGA上的SRAM上的配置来决定各个逻辑单元的逻辑功能和相互之间的连线关系。2.基本的SRAMFPGA的整体结构SRAMFPGA主要由3个部分组成：可编程逻辑块CLB(ConfigurableLogicBlock)、可编程输入／输出模块IOB(Input/OutputBlock)、可编程内部连线PI(ProgrammableInterc

2、onnect)。2.2.1SRAMFPGA的基本结构和工作原理3.基本的SRAMFPGA的CLB的结构与原理可配置逻辑块（CLB）用于实现一个FPGA芯片中的大部分逻辑功能。典型的CLB中的主要组成如图2-4所示。其中包括3个查找表（LUT），它们用作组合逻辑发生器;此外，还有两个触发器，以及两组信号多路选择器。其中，G-LUT和F-LUT可以用来生成任意的4输入的组合函数或用作内置分布式RAM；触发器可用来构成时序逻辑的基本元胞；多路选择器用于配置CLB的不同的逻辑功能。2.2.1SRAMFP

3、GA的基本结构和工作原理2.2.1SRAMFPGA的基本结构和工作原理（1）函数发生器：两个16×1的存储器查找表(F-LUT和G-LUT)用于实现4输入的函数发生器，它们每一个都能实现由任意4个独立的输入信号(F1～F4或G1～G4)组合产生的任意布尔逻辑功能。并且，使用存储器查找表的传输延迟与其实现的函数功能无关。一个3输入的函数发生器(H-LUT)可以实现任意3个输入的所有布尔逻辑功能。其中两个输入受到可编程的多路选择器的控制(见图2-4中的虚框A)。这两个输入信号可以是F-LUT或G-L

4、UT的输出，也可以是直接来自CLB的输入。2.2.1SRAMFPGA的基本结构和工作原理而第三个输入信号直接来自于CLB的输入。因此，CLB可以实现多达9个输入的特定功能，如实现奇偶校验。在CLB中的3个LUT可以组合实现5输入的任意布尔逻辑功能。总之，一个CLB可以实现四种功能：实现任意的4变量函数；实现一个输出的任意5变量函数；实现6变量的部分函数；实现某些9变量的函数。在一个CLB中能实现多种函数功能，这样在设计中，既可以减少所需的CLB块的个数，又可以缩短信号的延迟时间，提高系统速度。2

5、.2.1SRAMFPGA的基本结构和工作原理（2）触发器：每个CLB中包含两个触发器(如图2-5所示)，它们用于存储函数发生器的输出。触发器和函数发生器也可以独立使用。CLB的输入信号DIN可用作两个触发器的直接输入信号;H1也可以通过H-LUT驱动任意一个触发器，但带有一个微量的附加延迟。两个触发器共享一个时钟信号(CLK)、时钟使能信号(CE)和置位／复位信号(SR)。一开始，两个触发器均由一个全局初始化信号(GSR)控制。2.2.1SRAMFPGA的基本结构和工作原理（3）控制信号：由4个

6、输入信号的多路选择器决定CLB的输入控制信号(见图2-6)。这4个内部信号是：CE——时钟使能信号；SR——异步置位／复位信号或是H函数发生器输入0；DIN——直接输入信号或是H函数发生器输入2；H1——H函数发生器输入1。2.2.1SRAMFPGA的基本结构和工作原理图2-5CLB中的触发器功能块2.2.1SRAMFPGA的基本结构和工作原理图2-6CLB控制信号接口2.2.1SRAMFPGA的基本结构和工作原理4.基本的SRAMFPGA的IOB的结构与原理用户可配置的输入输出块（IOB）为芯

7、片外部封装引脚和内部逻辑连接提供接口。每个IOB控制一个封装引脚，可配置成输入口、输出口或是双向信号口。图2-7是一个Spartan-XL系列FPGAIOB的简化功能图。2.2.1SRAMFPGA的基本结构和工作原理图2-7基本FPGAIOB的简化功能框图2.2.1SRAMFPGA的基本结构和工作原理（1）IOB输入信号路径IOB的输入信号可以配置成直接输入到布线通道(如图2-7中的I1和I2)或是输入到输入寄存器中。输入寄存器可配置为一个边缘触发的触发器或是一个电平触发的锁存器。一个简化的寄存

8、器如图2-8所示。图2-8基本FPGAIOB触发器/锁存器功能2.2.1SRAMFPGA的基本结构和工作原理（2）IOB输出信号路径：输出信号可以在IOB内任意反相，并可直接通过输出缓冲器输出或是先存储在一个边沿触发的触发器中，然后再通过输出缓冲器输出。（3）上拉和下拉网络：可编程的上拉、下拉电阻可将未使用的引脚固定接电源或是接地，这样使系统的功率消耗最小，并可减少噪音干扰。可配置的上拉电阻是一个P沟道晶体管，可将引脚上拉到电源；可配置的下拉电阻是一个N沟道晶体管，可将引脚下拉到地。这些电阻的典