如前所述，fpga是在pal、gal、epld、cpld等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為asic領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，即解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路有限的缺點(diǎn)。
由于fpga需要被反復(fù)燒寫(xiě)，它實(shí)現(xiàn)組合邏輯的基本結(jié)構(gòu)不可能像asic那樣通過(guò)固定的與非門(mén)來(lái)完成，而只能采用一種易于反復(fù)配置的結(jié)構(gòu)。查找表可以很好地滿足這一要求，目前主流fpga都采用了基于sram工藝的查找表結(jié)構(gòu)，也有一些軍品和宇航級(jí)fpga采用flash或者熔絲與反熔絲工藝的查找表結(jié)構(gòu)。通過(guò)燒寫(xiě)文件改變查找表內(nèi)容的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)fpga的重復(fù)配置。
根據(jù)數(shù)字電路的基本知識(shí)可以知道，對(duì)于一個(gè)n輸入的邏輯運(yùn)算，不管是與或非運(yùn)算還是異或運(yùn)算等等，最多只可能存在2n種結(jié)果。所以如果事先將相應(yīng)的結(jié)果存放于一個(gè)存貯單元，就相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了與非門(mén)電路的功能。fpga的原理也是如此，它通過(guò)燒寫(xiě)文件去配置查找表的內(nèi)容，從而在相同的電路情況下實(shí)現(xiàn)了不同的邏輯功能。
查找表(look-up-table)簡(jiǎn)稱(chēng)為lut，lut本質(zhì)上就是一個(gè)ram。目前fpga中多使用4輸入的lut，所以每一個(gè)lut可以看成一個(gè)有4位地址線的 的ram。 當(dāng)用戶(hù)通過(guò)原理圖或hdl語(yǔ)言描述了一個(gè)邏輯電路以后，pld/fpga開(kāi)發(fā)軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算邏輯電路的所有可能結(jié)果，并把真值表(即結(jié)果)事先寫(xiě)入ram，這樣，每輸入一個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，然后輸出即可。
下面給出一個(gè)4與門(mén)電路的例子來(lái)說(shuō)明lut實(shí)現(xiàn)邏輯功能的原理。
例1：給出一個(gè)使用lut實(shí)現(xiàn)4輸入與門(mén)電路的真值表。
表1 4輸入與門(mén)的真值表
從中可以看到，lut具有和邏輯電路相同的功能。實(shí)際上，lut具有更快的執(zhí)行速度和更大的規(guī)模。
由于基于lut的fpga具有很高的集成度，其器件密度從數(shù)萬(wàn)門(mén)到數(shù)千萬(wàn)門(mén)不等，可以完成極其復(fù)雜的時(shí)序與邏輯組合邏輯電路功能，所以適用于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域。其組成部分主要有可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、內(nèi)嵌sram、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元、內(nèi)嵌專(zhuān)用單元等，主要設(shè)計(jì)和生產(chǎn)廠家有xilinx、altera、lattice、actel、atmel和quicklogic等公司，其中最大的是xilinx、altera、lattice三家。
如前所述，fpga是由存放在片內(nèi)的ram來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)ram進(jìn)行編程。用戶(hù)可根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。fpga有如下幾種配置模式：
并行模式：并行prom、flash配置fpga;
主從模式：一片prom配置多片fpga;
串行模式：串行prom配置fpga;
外設(shè)模式：將fpga作為微處理器的外設(shè)，由微處理器對(duì)其編程。
目前，fpga市場(chǎng)占有率最高的兩大公司xilinx和altera生產(chǎn)的fpga都是基于sram工藝的，需要在使用時(shí)外接一個(gè)片外存儲(chǔ)器以保存程序。上電時(shí)，fpga將外部存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)ram，完成配置后，進(jìn)入工作狀態(tài);掉電后fpga恢復(fù)為白片，內(nèi)部邏輯消失。這樣fpga不僅能反復(fù)使用，還無(wú)需專(zhuān)門(mén)的fpga編程器，只需通用的eprom、prom編程器即可。actel、quicklogic等公司還提供反熔絲技術(shù)的fpga，只能下載一次，具有抗輻射、耐高低溫、低功耗和速度快等優(yōu)點(diǎn)，在軍品和航空航天領(lǐng)域中應(yīng)用較多，但這種fpga不能重復(fù)擦寫(xiě)，開(kāi)發(fā)初期比較麻煩，費(fèi)用也比較昂貴。lattice是isp技術(shù)的發(fā)明者，在小規(guī)模pld應(yīng)用上有一定的特色。早期的xilinx產(chǎn)品一般不涉及軍品和宇航級(jí)市場(chǎng)，但目前已經(jīng)有q pro-r等多款產(chǎn)品進(jìn)入該類(lèi)領(lǐng)域。