Xilinx与Altera的FPGA基本结构

从1985年Xilinx公司推出第一片FPGA到现在，FPGA的使用已经有近30年的历史了。目前主流市场的FPGA主要还是Xilinx和Altera两大系列，下面分别来介绍下它们各自的基本结构组成。

Xilinx的FPGA主要由以下单元结构组成：可配置逻辑块（CLB）、时钟管理模块（CMT）、存储器（RAM/FIFO）、数字信号处理模块（DSP）和一些专用模块。以Virtex-5为例，简单介绍下各模块的功能。

1、可配置逻辑块（CLB）

CLB是FPGA中组成设计逻辑的主要资源，也是电路设计中工作的主要对象，下面对CLB的内外结构做一个简单介绍。

FPGA的逻辑就是由阵列排布的CLB实现的，每个CLB单元都和一个开关阵列相连，并受其控制以实现逻辑，如下图所示

 

 

 

每一个CLB中包含有两个基本结构（Slice），每个基本结构中包含4个查找表（LUT）、4个存储单元、广函数多路器（Wide_function Multiplexer）和进位逻辑，这种基本结构（Slice）称为SLICEL。另外，有些基本结构（Slice）中还包含使用RAM存储数据的功能和使用32位寄存器移位的功能，支持这些功能的基本结构称为SLICEM。

2、时钟管理模块（CMT）

时钟管理模块（CMT）用于产生高质量的时钟，以Virtex-5系列器件为例，CMT包括两个 数字时钟管理单元（DCM）和一个锁相环电路（PLL）。

3、存储器（RAM/FIFO）

现代Xilinx的FPGA都有内部的存储器块，以Virtex-5为例，内部包含若干块RAM，每一块36KB，并且RAM的大小可以灵活配置。Virtex-5内的RAM是同步的双口RAM，并且可以配置为多速率的FIFO存储器，极大地提高了设计的灵活性。

4、数字信号处理模块（DSP）

大多数的FPGA产品都提供了DSP。

5、其他专用模块

除了上述模块外，在现代的Xilinx的FPGA产品中还有一些其他专用模块，例如：Rocket IO千兆位级收发器、PCI Express端点模块和三态以太网MAC模块等。

Altera公司的产品一般包括如下单元结构：逻辑阵列模块（LAB）、TriMatrix存储器模块（RAM）、数字信号处理模块（DSP）和锁相环模块（PLL）。下面以StartixII 器件为例说明Altera 公司产品的结构。

1、  逻辑阵列模块（LAB）

逻辑阵列模块（LAB）的主要结构是8个适应逻辑模块（ALM），还包括一些进位链和控制逻辑等结构。适应逻辑模块（ALM）是StratixII器件的基本模块，其结构如下图。

 

 

  每个ALM中都包含了两个可编程的寄存器、两个专用全加器、一个进位链、一个共享算术链和一个寄存器链。需要注意的是，在上图所示的组合逻辑块（Combinational Logic）中包含了两个4输入4 查找表（LUT）和4个三输入的查找表。

2、  存储器模块（RAM）

StratixII器件具有TriMatrix存储结构，它包括3种大小的嵌入式RAM块。TriMatrix存储器包括512位的M512块、4Kb的M4K块和512Kb的M-RAM块，每个都可以配置支持各种特性。

3、  数字信号处理模块（DSP）

DSP块结构是为实现多种 最大性能和最小逻辑资源利用率的DSP功能而优化的。

4、  锁相环（PLL）

StratixII器件具有多达12个锁相环（PLL）和48个独立系统时钟，可以作为中央时钟管理器满足系统时序需求。

以上可以看出，Xilinx与Altera的FPGA的结构最大不同还是其逻辑单元部分：Xilinx的逻辑单元基本组成为可配置逻辑模块（CLB），而Altera的为LAB，但更深一层讲，CLB和LAB里面也都是由LUT、触发器等构成的。两个公司的FPGA组成各有特点，这也决定了它们的FPGA产品在功能上各有特点。