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。