 MOSFET的结构 下面的裸片照片特写显示了在显微镜下晶体管的外观。多晶硅栅极是两个掺杂硅区域之间的蛇形线。  FPGA中的MOSFET 6比特流和配置存储 XC2064 中的配置信息存储在配置内存单元中。FPGA 的内存不是使用 RAM 块进行存储，而是分布在 160×71 网格中的芯片上，确保每个位都位于它控制电路旁边。下图显示了配置比特流如何加载到 FPGA 中。比特流被送入从芯片中心（粉红色）向下运行的移位寄存器中。将 71 位加载到移位寄存器中后，列选择电路（蓝色）将选择特定的内存列，并并行加载到此列中。然后，将接下来的 71 位加载到移位寄存器中，左侧的下一列将成为所选列。此过程将重复 FPGA 的所有 160 列，将整个比特流加载到芯片中。使用移位寄存器可避免大量内存寻址电路。  比特流如何加载到 FPGA 中 重要的是，比特流的分布与文件中的分布完全相同：比特流文件中的比特布局与芯片上的物理布局匹配。如下所示，每个位都存储在FPGA控制电路的旁边。因此，比特流文件格式直接由硬件电路的布局确定。例如，当由于缓冲电路而在FPGA切片之间存在间隙时，相同的间隙会出现在位流中。比特流的内容不是围绕字段，数据表或配置块之类的软件概念来设计的。了解比特流取决于从硬件角度而非软件角度进行思考。如下所示实现配置存储器的每一位。每个存储单元均包含两个以环路连接的反相器。该电路具有两个稳定状态，因此可以存储一个位：顶部反相器为1，底部反相器为0，反之亦然。为了写入该单元，左侧的传输晶体管被激活，使数据信号通过。数据线上的信号只会使逆变器过载，从而写入所需的位。（您也可以使用相同的路径从FPGA中读取配置数据。）Q和反相Q输出控制FPGA中所需的功能，例如关闭路由连接，为查找表提供位，或控制锁存器电路。（在大多数情况下，仅使用Q输出。）  从数据表中显示一个位配置内存的示意图。Q 是输出，Q 是倒置输出。 下图显示了存储单元的物理布局。左图显示了八个存储单元，其中一个单元高亮显示。每条水平数据线馈入该行中的所有存储单元。每列选择行选择该列中的所有存储单元以进行写入。中间照片放大了一个存储单元的硅和多晶硅晶体管。  7查找表多路复用器 如前所述，FPGA通过使用查找表来实现任意逻辑功能。下图显示了如何在XC2064中实现查找表。左侧的八个值存储在八个存储单元中。四个多路复用器根据A 输入值选择每对值中的一个 。如果 A 为0，则选择最高值；如果 A 为1，则选择最低值。接下来，较大的多路复用器根据B 和 选择四个值之一 C。在这种情况下，结果是所需的值 A XOR B XOR C。通过在查找表中放置不同的值，可以根据需要更改逻辑功能。  使用查找表实现 XOR 每个多路复用器都是通过晶体管来实现的。根据控制信号，其中一个传递晶体管被激活，将该输入传递到输出。下图显示了LUT电路的一部分，多路复用了其中的两个比特。右边是两个存储器单元。每一个比特都要经过一个反相器进行放大，然后经过中间的多路复用器的传递晶体管，选择其中的一个比特。  LUT实现中的电路特写8锁存器 每个CLB包含一个触发器，允许FPGA实现锁存器，状态机和其他有状态电路。下图显示了触发器的实现。它使用主/辅助设计。当时钟为低电平时，第一个多路复用器让数据进入主锁存器。当时钟变高时，多路复用器关闭第一个锁存器的环路，并保持该值。（该位通过“或”门，“与非”门和反相器两次反转，因此保持不变。）同时，当时钟变高时，辅助锁存器的多路复用器从第一个锁存器接收该位（请注意，时钟已反转）。该值成为触发器的输出。当时钟变低时，次级的多路复用器关闭环路，从而锁存该位。因此，触发器是边缘敏感的，在时钟的上升沿锁存该值。置位和复位线强制触发器为高电平或低电平。  触发器的实现，箭头指出了第一个多路复用器和两个OR-NAND门 98-pin 交换矩阵 交换矩阵是一个重要的路由元件。每个开关有八个"引脚"（每侧两个），几乎可以连接任意引脚组合在一起。这允许信号比单个路由节点更灵活地转动、拆分或交叉。下图显示了四个 CLB （cyan）之间的路由网络的一部分。交换矩阵（绿色）可与右侧连接的任意组合连接。请注意，每个引脚可以连接到其他 7 个引脚中的 5 个。例如，引脚 1 可以连接到引脚 3，但无法连接到引脚 2 或 4。这使得矩阵几乎是一个横栏，有20个潜在的连接，而不是28个。  基于Xilinx 可编程门阵列数据手册，图7b 开关矩阵由一排传输晶体管实现，该传输晶体管由上方和下方的存储单元控制。晶体管的两侧是可以通过该晶体管连接的两个开关矩阵引脚。因此，每个开关矩阵具有20个相关联的控制位。 每个图块两个矩阵产生每个图块40个控制位的矩阵。下图显示了其中一个存储单元，该存储单元连接到下面的传输晶体管的长弯曲栅极。该晶体管控制引脚5和引脚1之间的连接。  因此，与该存储单元相对应的位流中的位控制引脚5和引脚1之间的开关连接。同样，其他存储单元及其相关晶体管控制其他开关连接。请注意，这些连接的顺序不遵循特定的模式。因此，位流位和开关引脚之间的映射是随机的。 10输入路由 CLB的输入在位流中使用不同的编码方案，这由硬件实现方式解释。在下图中，八个圆圈的节点是CLB框DD的潜在输入。  最多只能将一个节点配置为输入，因为将两个信号连接到同一输入将使它们短路。使用多路复用器选择所需的输入。一个简单的解决方案是使用8路多路复用器，其中3个控制位选择8个信号之一。另一个简单的解决方案是使用8个通过晶体管，每个晶体管都有自己的控制信号，其中一个选择所需的信号。但是，FPGA使用一种混合方法，该方法避免了第一种方法的解码硬件，但使用了5个控制信号，而不是第二种方法所需的8个控制信号。  FPGA使用多路复用器选择八个输入之一上面的示意图显示了FPGA中使用的两级多路复用器方法。在第一阶段，控制信号之一被激活。第二阶段从顶部或底部选择信号作为输出。例如，假设控制信号 B/F 发送到第一级，“ ABCD”发送到第二级；输入B是唯一将传递到输出的B。因此，选择八个输入之一需要在比特流中使用5位，并使用5个存储单元。11结论 XC2064使用各种高度优化的电路来实现其逻辑块和路由。该电路需要紧凑的布局，以适合芯片。即使这样，XC2064还是一个非常大的芯片，比当时的微处理器还大，因此一开始很难制造，而且要花费数百美元。与现代FPGA相比，XC2064的单元数量非常少，但是即使如此，它也引发了革命性的新产品线。 了解XC2064比特流的关键是两个概念。首先，FPGA由64个块组成，这些块是将逻辑块和路由结合在一起的重复块。尽管FPGA被描述为具有被路由包围的逻辑块，但这并不是实现它们的方式。 第二个概念是，比特流中没有抽象。它直接映射到FPGA的二维布局中。因此，只有考虑FPGA的物理布局，比特流才有意义。 |
