浅析FPGA的基本结构

谈起FPGA的结构，通常人们是这样认为的：FPGA的基本结构是由大量的相对较小的可编程逻辑块“岛”镶嵌在可编程互连的“海”里面构成的。初看起来感觉有点云里雾里，仔细琢磨一下，文艺范的表达确实是那么回事：

目前市场上90%以上的FPGA来自于xilinx和altera这两家巨头，而这两家FPGA的实现技术都是基于SRAM的可编程技术，FPGA内部结构基本一致，所以本文仅以xilinx的7系列FPGA介绍。

CLB是xilinx FPGA基本逻辑单元，每个CLB包含两个slices，每个slices由4个6输入LUT（查找表）和8个D触发器组成。同一CLB中的两片slices没有直接的线路连接，分属于两个不同的列。每列拥有独立的快速进位链资源。让我们来看看基本逻辑单元CLB的结构，如图1所示列出了4个CLB：

图1：CLB结构

整个FPGA内部的基本结构就是由成千上万个这样的CLB组成的，CLB与CLB之间存在大量的信号互连线，作为数据流动的通道。开篇说的“岛”就是CLB，“海”就是信号互连线。当然，这只是最基本的FPGA结构，实际的FPGA内部“大海”里还得镶嵌其它的“明珠”才能正常工作，比如时钟模块、存储器、网络模块、收发器模块等等，“明珠”数量越多，FPGA功能就越丰富、当然价格也越贵。

那么，大家可能有疑惑，CLB怎么就能实现复杂的数字逻辑功能呢？别忘了上文交代了1个CLB包含2个Slice，每个Slice又由4个6输入LUT、8个D触发器以及多个MUX组成。简单来说，LUT是查找表，可以实现数字逻辑中的组合逻辑功能，比如C=A+B；D触发器则实现时序逻辑功能；MUX则增强Slice内部信号流通的灵活性。

也就是说1个Slice内部就可以灵活的实现组合逻辑和时序逻辑，那么1个CLB（等于2个Slice）呢？成千上万个CLB呢？所以FPGA就可以实现很复杂的数字运算了。