FPGA 中的查找表(Look Up Tables)
目錄
- 簡介
- FPGA 架構
- Combinational Circuits(組合電路)
- Half Adder(半加器)
- Full Adder(全加器)
- Lookup Tables(查找表)
- Sequential Circuits(時序電路)
- Shift Register(移位寄存器)
- Load RAM(讀取寄存器)
- FPGA 中的 Lookup Tables(查找表)
- Lookup Table 結構
- F7 Mux 和 F8 Mux
- Circuit Mapping(電路映射)
- 將電路映射到 Lookup Table
- 應用與限制
现代 FPGA 架构及其应用的精髓
在现代科技领域中,可编程逻辑门阵列(FPGA)扮演着至关重要的角色。它们被广泛应用于各种应用程序,如航空航天、通信、嵌入式系统和网络等。理解现代 FPGA 架构及其应用的精髓对于从事电子设计的人员来说至关重要。
FPGA 架构
FPGA 是一种高度灵活的半导体构建平台,可用于实现各种数字电路。它由大量的可编程逻辑元件(查找表、寄存器等)和可编程连线组成。其中,查找表(Lookup Table,LUT)是 FPGA 的核心部件之一,它可以实现任何组合逻辑。查找表接受输入信号,并使用存储的真值表中的条件来生成输出。FPGA 还包括其他重要的组件,如开关矩阵和输入/输出(I/O)引脚。这些组件共同构成了现代 FPGA 的架构。
Combinational Circuits(組合電路)
Half Adder(半加器)
半加器是一种基本的组合逻辑电路,用于将两个单比特输入相加。它具有两个输入(A 和 B)和两个输出(Sum 和 Carry),可以使用真值表完全定义。半加器通常使用 Lookup Table 来实现。
Full Adder(全加器)
全加器是比半加器更复杂的组合逻辑电路。它具有三个单比特输入(A、B 和 Carry In),并产生两个单比特输出(Sum 和 Carry Out)。全加器可以通过将两个半加器和一个或门组合而成。
Lookup Tables(查找表)
查找表是用于实现组合逻辑的非常通用的电路。它使用小型存储器来存储所有可能的输入和对应的输出。查找表可以实现任何组合逻辑,且有着极高的灵活性和可配置性。FPGA 中的 Lookup Tables 可以具有不同数量的输入和输出,可以根据具体需求进行配置。
Sequential Circuits(時序電路)
Shift Register(移位寄存器)
移位寄存器是一种常见的时序逻辑电路,用于将输入数据按位顺序移动并存储。它由多个触发器(Flip-Flop)和连接它们的反馈线组成。移位寄存器可用于实现数据缓冲和时钟同步等功能。
Load RAM(讀取寄存器)
在 FPGAs 中,除了用于实现组合逻辑的 Lookup Table,还可以将部分 Look-Up Table 用作存储器。通过将输入信号直接写入存储器的存储单元,可以实现时序存储功能。这种存储器通常以 RAM 的形式存在,可以读取和写入数据。
FPGA 中的 Lookup Tables(查找表)
在实际的 FPGA 中,Lookup Tables 是一种非常重要的电路元件,它们用于实现各种组合逻辑。Xilinx FPGA 是一种常见的 FPGA 架构,具有不同配置的 Lookup Tables。
Lookup Table 结构
每个 Lookup Table 中,输入端口和输出端口数量是固定的。通常,Xilinx FPGA 的 Lookup Table 具有六个输入端口和两个输出端口。这种组合对于大多数应用是足够的。如果需要更高输入端口数,可以使用特殊的设置,如 F7 Mux 或 F8 Mux。
F7 Mux 和 F8 Mux
F7 Mux 和 F8 Mux 是用于实现更高输入端口 Lookup Table 的技术。通过将多个 Lookup Table 和 Mux 组合在一起,可以实现七个或八个输入端口的 Lookup Table。这些 Mux 提供了更大的灵活性,使 FPGA 能够适应各种复杂的电路需求。
Circuit Mapping(電路映射)
将电路映射到 FPGA 的 Lookup Table 是 FPGA 设计中非常重要的一环。在实际应用中,将大型电路映射到 Lookup Table 时,通常将其划分为多个较小的子电路。每个子电路应满足 Lookup Table 的输入和输出数量限制。这样,较大的电路可以以多个 Lookup Table 的形式实现。
映射技术通常由 FPGA 设计软件来自动进行,但研究人员也可以自行开发映射算法以控制映射过程。电路映射的目的是使电路能够适应 Lookup Table 的规格,并使 FPGA 能够高效地实现所需的功能。
應用與限制
FPGA 可以应用于各种领域,如数字信号处理、通信、图像处理、嵌入式系统等。其灵活性、可编程性和高度并行化的特性使其成为许多应用的理想选择。
然而,FPGA 也存在一些限制。首先,FPGA 的资源有限,因此在设计过程中需要合理利用资源。其次,FPGA 的功耗较高,特别是在频繁切换电路时。此外,与 ASIC(专用集成电路)相比,FPGA 的性能和时钟速度可能相对较低。
总之,了解现代 FPGA 架构及其应用的精髓是进行 FPGA 设计的关键。通过合理利用 Lookup Table 和其他 FPGA 组件,可以实现高度灵活且功能强大的数字电路。无论是工程师还是研究人员,在使用 FPGA 进行设计时,都应对其原理有深入的了解,并在实践中不断探索创新。