ساختار داخلی FPGA
برای درک بهتر نحوه عملکرد FPGA، باید با اجزای داخلی آن آشنا شویم. برخلاف پردازنده‌ها که ساختاری ثابت دارند، FPGA از مجموعه‌ای از بلوک‌های منطقی قابل پیکربندی و مسیرهای ارتباطی تشکیل شده که به شما اجازه می‌دهند مدار دلخواه خود را روی آن پیاده‌سازی کنید.
اجزای اصلی FPGA
1. CLB (Configurable Logic Block)
مهم‌ترین واحد پردازشی در FPGA است که از چندین LUT، رجیستر و مالتی‌پلکسر تشکیل شده. این بلوک‌ها قابلیت اجرای انواع توابع منطقی را دارند.
2. LUT (Look-Up Table)
جدول جستجوی کوچکی است که تابع منطقی را به‌صورت از پیش‌تعریف‌شده نگه می‌دارد. مثلاً یک LUT با 4 ورودی، می‌تواند 16 حالت مختلف را پیاده‌سازی کند.
3. Flip-Flop
برای ذخیره‌سازی وضعیت و پیاده‌سازی منطق ترتیبی مورد استفاده قرار می‌گیرد. معمولاً همراه با هر LUT یک یا چند فلیپ‌فلاپ وجود دارد.
4. Routing
سیم‌ها و مسیرهای ارتباطی قابل پیکربندی بین اجزای مختلف FPGA که توسط سوئیچ‌ها کنترل می‌شوند.
5. Switch Matrix
گره‌هایی که اجازه می‌دهند مسیرهای مختلف به هم متصل شوند. یکی از عوامل کلیدی در مسیریابی صحیح سیگنال‌ها.
6. IOB (Input/Output Blocks)
رابط بین پین‌های فیزیکی FPGA و منطق داخلی است و ویژگی‌هایی مانند سطح ولتاژ، جهت داده و مقاومت pull-up را کنترل می‌کند.
7. Clock Management (PLL / MMCM)
برای تنظیم فرکانس و فاز سیگنال‌های کلاک استفاده می‌شود. ابزارهای مهمی برای مدیریت دقیق زمان‌بندی در طراحی‌های پیچیده هستند.
8. Block RAM / DSP Slices
منابع حافظه داخلی و واحدهای پردازش سیگنال که برای کاربردهایی مثل پردازش صوت و تصویر، ضرب ماتریس‌ها و هوش مصنوعی بسیار حیاتی‌اند.
اهمیت آشنایی با ساختار داخلی FPGA
درک درست از این اجزا به شما کمک می‌کند تا طراحی‌های بهینه‌تری انجام دهید، با گزارش‌های طراحی مثل Timing و Utilization بهتر کار کنید و مشکلات پیچیده‌تر را راحت‌تر برطرف کنید.