如果在FPGA設計中，需要多埠，大資料量的交換，那麼交換矩陣則是一個不錯的實現方案。交換矩陣使用的目的主要有幾個，一，靈活的埠轉發。通過交換矩陣靈活實現資料流的靈活交換，減少外部負責控制。 二，高效的轉發效率，交換矩陣能夠實現通常單一匯流排不能達到的轉發效率，滿足高吞吐量的系統的需要。三，系統設計以交換矩陣為中心，便於IP整合和模組複用。

交換矩陣的實現方案較為複雜，最早的交換沿襲了共享匯流排式的架構，因此對於某個埠需要傳輸，則其他埠只能阻塞，等待匯流排空閒後再進行傳輸。而交換矩陣則是一個全互聯的結構。如下圖所示，如有4個輸入，4個輸出的交換矩陣，可認為是一個4埠的交換單元，每個埠包含一個傳送介面和一個接收模組，如埠0就包含傳送模組m0和接收模組s0。

假設每路傳輸的速率為N，則整個交換矩陣的傳輸速率為4N。如何實現一個簡單的交換矩陣。首先可以將整速率個設計分割。將整個設計分割為接受和傳送兩個模組。整個交換單元可以劃分為四個部分，分別是，傳送模組，仲裁模組，交換模組，接收模組。

（1）               傳送模組，首先根據某埠接收資料後，根據該資料幀要轉發的埠，發起請求訊號。

（2）               仲裁模組：根據請求訊號，接收模組的忙閒狀態，及各發送模組的優先順序，確定當前的響應訊號，如果當前的接收模組忙（上次傳輸未完成），則需要阻塞，等待上次傳輸完成（複雜的設計，可以保證高優先順序能夠打斷當前傳輸，直接傳輸高優先順序資料流，高優先順序完成後，再恢復原有傳輸，但這種方式設計較為複雜，模擬驗證的難度也較大，不建議使用）。

（3）               交換模組：根據仲裁訊號確定傳送模組轉發的埠，交換模組本質上是多選一的MUX，而MUX的選擇訊號，則是由仲裁模組來進行選擇。

（4）               接收模組：接收交換模組交換後的資料流，向仲裁模組返回當前模組的忙閒狀態（正在接收傳輸訊號，為忙狀態，而當前無傳輸狀態，則為閒狀態）。

仲裁模組的仲裁機制，一般可以使用簡單的round-robin的設計，即輪流最高優先順序。也可以通過設計帶加權的優先順序，保證更高優先順序的埠優先進行傳輸。

仲裁模組的仲裁設計可以分為多種，一種是整個交換矩陣使用同一個仲裁單元，每個傳送模組只使用一個請求訊號及請求埠號連線到仲裁模組。這種設計對整個仲裁模組設計難度較大。另一種設計，如下圖所示，即每個接收單元，配置一個仲裁模組，和一個交換模組。而每個傳送模組根據要傳送的埠，使用多個傳送的請求訊號。此種設計便於系統擴充套件，也可簡化設計。

    不僅是用於高速多埠轉發的資料流傳輸採用交換矩陣。現在，大多高速匯流排機制（如N主裝置，M從裝置之間進行資料的交換）也採用類似交換矩陣式的結構，每個從裝置的連線都是多個主裝置通過MUX來進行連線，這樣保證多個主裝置訪問不同從裝置時，可以實現並行的資料交換（如主裝置M0訪問從裝置S1，主裝置M1訪問從裝置S2，可以同時進行匯流排操作）。這是單一競爭式匯流排所不能達到的優勢，但是，設計佔用的邏輯量也會增加。效能的增加帶來的負面影響通常就是邏輯的增加。

交換矩陣通常在基於資料包轉發的FPGA設計應用中，交換矩陣的交換靈活性增加，也會增加設計複雜度，如果對於傳輸效率不需太多的需求，可以採用系統複用的方式（前文介紹），通過一個複用模組輪流接收各個傳送埠的資料流，，再根據埠轉發到各個從裝置中，此種方式設計簡單，但是此複用模組則會成為系統的瓶頸。根據系統的設計需求，選擇適合的設計，達到效能和邏輯方面的平衡，是體現FPGA設計藝術之一。