1．查找表的结构奸原理

　　采用查找表（look－up-table）结构的pld芯片称为fpga，查找表简称为lut，lut本质上就是一个ram。 目前fpga中多使用4输人的lut，所以每一个lut可以看成一个有4位地址线的16×1的ram。当用户通过原理图或hdl语言描述一个逻辑电路后，fpca开发软件会自动计算逻辑电 路的所有可能的结果，并把结果事先写人ram，这样，每输人一个信号进行逻辑运算就等于输人一个地址 进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。表1所示为一个4输人与门的例子。

　　表1 lut实现4输入与门的例子

　　2．基于查找表的fpga结构

　　下面以xilinx的spartan－3芯片为例介绍fpga的内部结构，如图1所示。

图1 spartan－3 fpga芯片内部结构

　　spartan-3主要包括可配置逻辑模块（clb）、i/0模块、块ram、乘法器模块和数字时钟管理模块（dcm ）。在spartan－3中，clb是主要的逻辑资源，每个clb包含4个slice，并分为2组，如图2所示。左侧一组 支持逻辑和存储功能，称为slicem，右侧一组只支持逻辑功能，称为slicel。slicel减少了clb的大小并 降低了器件的成本。slicem和slicel具有如下相同组件来提供逻辑、运算和rom功能：

　　·2个4输人查找表，f和g；

　　·2个存储单元；

图2 clb内部结构

　　·2个多功能乘法器，f5mux和fgmux（或ftmux，fsmux）；

　　·运算逻辑。

　　因此，slice可以看成spartan-3实现逻辑的最基本结构。slice结构如图3所示。

图3 slice结构

　　3，查找表结构的fpga逻辑实现原理

　　以图4所示电路为例，具体说明fpga是如何利用以上结构实现逻辑的。a，b，c，d由fpca芯片的引脚输 人后进人可编程连线，然后作为地址线连到lut，lut中已经事先写人了所有可能的逻辑结果，通过地址查 找到相应的数据后输出，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触发器来实现的 。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/0脚相连，把结果输出到芯片引脚。这样fpga就完成了图4所示电路的功能。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fpca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，所以需要外加一片专用配置芯片，在上电时，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ェ艺，对这种fpga，就不需要外加专用的配置芯片。

图4 fpga器件的命名规则

　　4．cpld与fpga的选择

　　根据cpld的结构和原理可知，cpld分解组合逻辑的功能很强，一个宏单元就可以分解十几个甚至20～30 多个组合逻辑输入。而fpga的一个lut只能处理4输人的组合逻辑，因此，cpld适合用于设计译码等复杂组 合逻辑。但fpga的制造工艺确定了fpga芯片中包含的lut和触发器的数量菲常多，往往都是成千上万， cpld一般只能做到512个逻辑单元，而且如果用芯片价格除以逻辑单元数量，fpga的平均逻辑单元成本大 大低于cpld。所以如果设计中使用到大量触发器，例如设计一个复杂的时序逻辑，那么使用fpga就是一个 很好的选择。cpld拥有上电即可工作的特性，而大部分fpga需要一个加载过程，所以，如果系统要可编程 逻辑器件上电就工作，那么就应该选择cpld。

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