FPGA基础：LUT、D触发器与CLB结构详解

FPGA相关知识1深入解析了FPGA的基本概念和结构。FPGA（Field-Programmable Gate Array），即可编程逻辑阵列，是一种灵活的硬件平台，允许用户根据设计需求在运行时重新配置其逻辑功能。 1.1 FPGA基本单元 FPGA的核心单元主要包括查找表（LUTs）和D触发器。LUTs，作为组合逻辑单元，是FPGA中最基础的构建模块，通常具有多个输入和一个输出，用于实现复杂的逻辑函数。它们提供了大量的可编程能力，能够处理各种布尔逻辑表达式。D触发器作为时序逻辑单元，负责存储状态并根据输入信号进行状态更新，这对于实现时序控制至关重要。 FPGA的物理结构大多基于SRAM（静态随机访问存储器）技术，这种结构决定了其内部的查找表实现方式。当前主流的FPGA由以下几个主要模块组成： - 可编程输入输出单元（IOB，Input/Output Block）：IOB负责连接外部电路，包括电源、地线以及数据交互。IOB被划分为多个组，每个组具有特定的电压范围，如HRIO和HPIO。IOB支持DDR双数据率，输入输出信号的延时可通过IDELAY和ODELAY单元进行精细调整。 - 可配置逻辑块（CLB，Configurable Logic Block）：CLB是FPGA的主体逻辑单元，由多个Slice组成。每个CLB包含多个LUTs，多路复用器，进位链和DFF（D触发器）等。SliceM与SliceL的区别在于，SliceM还额外提供了查找表为基础的分布式RAM和移位寄存器，用于存储和处理数据。 - 数字时钟管理模块（DCM）：为了保证系统时钟的准确性和稳定性，FPGA内嵌有DCM，它负责时钟的生成、同步和相位锁定，确保各个部分的正确协同工作，减少抖动并实现时钟滤波功能。 FPGA的使用通常涉及设计工具如ISE（Intel System Generator for FPGA）或Quartus等，这些工具允许用户以硬件描述语言（HDL，如Verilog或VHDL）描述设计，然后下载到FPGA中进行实际操作。通过理解FPGA的基本结构和组成部分，开发者可以更有效地利用这些器件来构建高效、灵活的数字系统。