FPGA 基础与架构面试题详解（一）

FPGA 基础概念与架构面试题

1. 什么是 FPGA？与 CPLD、ASIC 的核心区别是什么？

解答： FPGA（现场可编程门阵列）是一种基于可编程逻辑单元（CLB）、可编程互连资源（PI）、I/O 接口和嵌入式资源（如 DSP、RAM、PLL）的半导体器件，可通过硬件描述语言（HDL）编程实现任意数字逻辑功能。

核心区别：

• FPGA：基于 SRAM 工艺，可编程性强、灵活性高，可反复擦写，适合快速原型验证、小批量量产，功耗中等，成本随规模上升；
• CPLD：基于 EEPROM/Flash 工艺，集成度低、逻辑资源少，不可反复擦写（或擦写次数有限），功耗低、延迟小，适合简单逻辑控制；
• ASIC：专用集成电路，定制化设计，集成度高、功耗低、性能最优，不可编程，研发周期长、成本高，适合大批量量产。

2. FPGA 的基本架构包括哪些部分？各部分的作用是什么？

解答： 核心架构包括 4 部分，不同厂商（Xilinx、Intel）命名略有差异，但功能一致：

1. 可编程逻辑块（CLB）：FPGA 的核心，由查找表（LUT）、触发器（FF）、多路选择器组成，用于实现各种组合逻辑和时序逻辑；
2. 可编程互连资源（PI）：包括布线资源、开关矩阵，用于连接各个 CLB、I/O 模块和嵌入式资源，实现信号的传输；
3. I/O 接口模块（IOB）：位于 FPGA 芯片边缘，负责 FPGA 与外部器件（如 CPU、DDR、ADC/DAC）的信号交互，支持多种电平标准（如 LVCMOS、LVDS、SSTL）；
4. 嵌入式资源：集成在 FPGA 内部的辅助资源，包括 PLL（锁相环，用于时钟倍频/分频、相位调整）、DSP 切片（用于高速数字信号处理，如滤波、乘法）、Block RAM（块 RAM，用于存储数据，比分布式 RAM 容量大、功耗低）。

3. FPGA 的配置方式有哪些？各适合什么场景？

解答： FPGA 的配置方式核心分为「主动配置」和「被动配置」，具体分类及场景如下：

1. 主动配置（FPGA 主动读取配置文件）：

   • 配置芯片（如 Xilinx 的 SPI Flash、Intel 的 EPC 系列）：最常用，上电后 FPGA 自动读取配置芯片中的 bitstream，适合量产产品，掉电后配置信息不丢失；
   • 并行配置（Parallel Flash）：配置速度快，适合对配置时间要求高的场景，但布线复杂、成本略高。

2. 被动配置（外部控制器主动向 FPGA 写入配置文件）：

   • JTAG 配置：通过 JTAG 接口（TCK、TMS、TDI、TDO）配置，主要用于调试、开发阶段，方便快速下载 bitstream；
   • 串口/USB 配置：通过 UART、USB 接口由 CPU 或电脑写入配置文件，适合调试或特殊场景（如远程配置）；
   • Slave Serial 配置：由外部控制器（如 MCU）通过串行信号控制配置，适合小型系统、低功耗场景。

4. 什么是 LUT？LUT 的工作原理是什么？常见的 LUT 有几种？

解答： LUT（查找表）是 FPGA 中实现组合逻辑的核心单元，本质是一个基于 SRAM 的'真值表缓存器'。

工作原理： LUT 的输入是组合逻辑的输入变量，输出是对应的逻辑结果；预先将输入变量所有可能的组合（真值表）存储在 SRAM 中，当输入信号到来时，LUT 根据输入值'查找'对应的输出结果，实现组合逻辑功能（如与、或、非、异或，以及更复杂的组合逻辑）。

常见类型：

• 4 输入 LUT：可实现任意 4 变量的组合逻辑（2^4=16 种真值表组合）；