从结构上浅谈FPGA实现逻辑的原理

         FPGA是啥？你要是在百度上一查，多数会搜到什么 Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列嘛，但是这句话对咱们新手理解FPGA起到的作用十分有限，其实不单是新手朋友，就连我这个玩了几个月的FPGAer也不求甚解，我脑海里隐隐约约的印象就是：

FPGA是一堆数字积木，你可以用他来搭建任何需要的数字电路。

        这个概念伴随了我很久，直到我看了一本关于FPGA结构的书，虽然是走马观花地浏览了一遍，但还是给了我一些启发，今天特写一篇博客记录一下我的一些感悟。

        先来总结一下FPGA的基本组成：

基本组成要素

• 可编程逻辑要素 ：实现逻辑电路需求的电路，有乘积项、查找表和数据选择器等
• 可编程输入/输出要素：连接IO引脚和内部布线要素的模块，通常包含上拉、下拉、输入/输出方向和极性、转换速率、开漏等功能的控制电路，以及触发器等数据存储电路。
• 可编程布线要素：连接前两种要素

         上图给出了一个岛型结构的FPGA，可以看出FPGA的组成有实现任意逻辑的软逻辑块（soft logic、不同厂家对此称呼不同，例如Xilinx称为CLB，Confugurable Logic Block；Altera公司将其称为LAB，Logic Array Block）、位于芯片四周的输入/输出要素（IOB）、布线要素（开关块SB、连接块CB、布线通道），同时我们看到FPGA内部还有乘法器块和存储器块等硬逻辑，最基本的FPGA结构就包含上述的要素。

软逻辑的核心：LUT查找表

        FPGA属于PLD，即可编程逻辑器件的一种。 

        我们学过数字电路可以知道，数字组合逻辑实现的方式有许多种，你可以化简，或者不化简，但是条条大路通罗马，不同结构的电路也能实现相同的逻辑功能，因此在这个背景下，PLD的实现方式可谓是五花八门，比如基于乘积项的实现，基于查找表的实现，基于数据选择器的实现等等，如今我们使用的FPGA主要是用一种结构来进行任意逻辑的实现，那就是查找表。 

        入门的大家伙不知是否被各种教材以及综合后的电路图忽悠地认为FPGA是真的实现了Verilog描述的由与或非逻辑以及D触发器等原件组成电路图呢？、

        从FPGA的实际结构上看，这样的观点是不正确的。

         FPGA的核心，可编程逻辑的实现其实是由上面这个小小的的单元：查找表来实现的，根本就没有什么与或非的门级电路，就更不要说有人还想在FPGA上写写晶体管级的代码了。

        查找表是基于SRAM实现的，其实说白了就是一块RAM内存，把输入当成地址，输出当成存储在里面的数据，对应一个输入（地址），就送一个输出（数据），以此实现任意逻辑的功能，毕竟，一个三输入的逻辑电路只有最多八个结果，一个四输入的逻辑电路最多只有十六个结果。

        更通俗易懂的解释就是，好比一场考试，专用集成电路ASIC会认认真真把题目（对应输入）地从头到尾解出来（通过与或非逻辑门），而FPGA则更像打好了一份小抄（LUT中存储的数据），对着题目（对应输入）去找答案。 

        所以其实各个FPGA的开发工具在实现时所做的工作就是根据Verilog描述的逻辑，把结果都预先算出来，下载比特流的时候就把答案烧录进FPGA的LUT当中。

        如果要实现时序逻辑的话，就在后一级套一个D触发器，如上图所示，最后用选择器选择输出时序逻辑还是组合逻辑。

给我们的启发

        了解了LUT的原理以后，我们能得到什么启发呢？考试前要打好小抄？NONONO！

        第一个启发是解释了为什么FPGA掉电之后逻辑会消失，因为LUT是基于SRAM，RAM的特性就是掉电易失。

        第二个启发是关于LUTRAM和LUT之间的换算关系。有时候我们需要在片内存储数据，一般我们有专用的硬存储器模块，BRAM或者URAM存储，但是如果数据量较小，或者数据太大以至于硬存储模块都使用完了，这时候我们就需要使用LUTRAM来进行数据存储了。

        之前我们提到过，3输入的LUT可以存储八个Bit，4输入的LUT可以存储16个Bit，这样我们可以得到一个朴素的换算关系：

N输入查找表能存储Bit数据

结语

        上述的看法是我个人的一些朴素的观点，现代FPGA结构日新月异，其中设计的奥妙不是通过我这三言两语能够讲清楚的，但上面的朴素理解对于我们FPGA工程师来说至关重要，就好比计算机组成对于优秀程序员的作用一样，我们不是专业制造FPGA，但我们一点要在心里对FPGA有一个核心的认识，这就是所谓学习的哲学。