FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程邏輯器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。

1.背景

目前以硬件描述語言(Verilog 或VHDL)所完成的電路設(shè)計，可以經(jīng)過簡單的綜合與布局，快速的燒錄至FPGA上進(jìn)行測試，是現(xiàn)代IC設(shè)計驗證的技術(shù)主流。這些可編輯元件可以被用來實現(xiàn)一些基本的邏輯門電路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更復(fù)雜一些的組合功能比如解碼器或數(shù)學(xué)方程式。在大多數(shù)的FPGA里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器(Flip-flop)或者其他更加完整的記憶塊。

系統(tǒng)設(shè)計師可以根據(jù)需要通過可編輯的連接把FPGA內(nèi)部的邏輯塊連接起來，就好像一個電路試驗板被放在了一個芯片里。一個出廠后的成品FPGA的邏輯塊和連接可以按照設(shè)計者而改變，所以FPGA可以完成所需要的邏輯功能。

FPGA一般來說比ASIC(專用集成芯片)的速度要慢，無法完成復(fù)雜的設(shè)計，而且消耗更多的電能。但是他們也有很多的優(yōu)點比如可以快速成品，可以被修改來改正程序中的錯誤和更便宜的造價。廠商也可能會提供便宜的但是編輯能力差的FPGA。因為這些芯片有比較差的可編輯能力，所以這些設(shè)計的開發(fā)是在普通的FPGA上完成的，然后將設(shè)計轉(zhuǎn)移到一個類似于ASIC的芯片上。另外一種方法是用CPLD(復(fù)雜可編程邏輯器件備)。

FPGA

2.工作原理

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA(Logic Cell Array)這樣一個概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB(Configurable Logic Block)、輸出輸入模塊IOB(Input Output Block)和內(nèi)部連線(Interconnect)三個部分。 現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)是可編程器件。與傳統(tǒng)邏輯電路和門陣列(如PAL，GAL及CPLD器件)相比，F(xiàn)PGA具有不同的結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PGA利用小型查找表(16×1RAM)來實現(xiàn)組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來驅(qū)動其他邏輯電路或驅(qū)動I/O，由此構(gòu)成了即可實現(xiàn)組合邏輯功能又可實現(xiàn)時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過向內(nèi)部靜態(tài)存儲單元加載編程數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的，存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實現(xiàn)的功能， FPGA允許無限次的編程。

邏輯單元陣列

3.優(yōu)缺點

3.1優(yōu)點

FPGA的優(yōu)點如下：

(1) FPGA可通過使用框圖或者Verilog HDL來設(shè)計，從簡單的門電路到FIR或者FFT電路。

(2) FPGA可無限地重新編程，加載一個新的設(shè)計方案只需幾百毫秒，利用重配置可以減少硬件的開銷。

(3) FPGA由邏輯單元、RAM、乘法器等硬件資源組成，通過將這些硬件資源合理組織，可實現(xiàn)乘法器、寄存器、地址發(fā)生器等硬件電路。

(4) FPGA的工作頻率由FPGA芯片以及設(shè)計決定，可以通過修改設(shè)計或者更換更快的芯片來達(dá)到某些苛刻的要求(當(dāng)然，工作頻率也不是無限制的可以提高，而是受當(dāng)前的IC工藝等因素制約)。

3.2缺點

FPGA的缺點如下：

(1) FPGA的所有功能均依靠硬件實現(xiàn)，無法實現(xiàn)分支條件跳轉(zhuǎn)等操作。

(2) FPGA只能實現(xiàn)定點運(yùn)算。

4.應(yīng)用

4.1電路設(shè)計

連接邏輯，控制邏輯是FPGA早期發(fā)揮作用比較大的領(lǐng)域也是FPGA應(yīng)用的基石.事實上在電路設(shè)計中應(yīng)用FPGA的難度還是比較大的這要求開發(fā)者要具備相應(yīng)的硬件知識(電路知識)和軟件應(yīng)用能力(開發(fā)工具)這方面的人才總是緊缺的，往往都從事新技術(shù)，新產(chǎn)品的開發(fā)成功的產(chǎn)品將變成市場主流基礎(chǔ)產(chǎn)品供產(chǎn)品設(shè)計者應(yīng)用在不遠(yuǎn)的將來，通用和專用IP的設(shè)計將成為一個熱門行業(yè)!搞電路設(shè)計的前提是必須要具備一定的硬件知識.在這個層面，干重于學(xué)，當(dāng)然，快速入門是很重要的，越好的位子越不等人電路開發(fā)是黃金飯碗。

FPGA芯片

4.2產(chǎn)品設(shè)計

把相對成熟的技術(shù)應(yīng)用到某些特定領(lǐng)域如通訊，視頻，信息處理等等開發(fā)出滿足行業(yè)需要并能被行業(yè)客戶接受的產(chǎn)品這方面主要是FPGA技術(shù)和專業(yè)技術(shù)的結(jié)合問題，另外還有就是與專業(yè)客戶的界面問題產(chǎn)品設(shè)計還包括專業(yè)工具類產(chǎn)品及民用產(chǎn)品，前者重點在性能，后者對價格敏感產(chǎn)品設(shè)計以實現(xiàn)產(chǎn)品功能為主要目的，F(xiàn)PGA技術(shù)是一個實現(xiàn)手段在這個領(lǐng)域，F(xiàn)PGA因為具備接口，控制，功能IP，內(nèi)嵌CPU等特點有條件實現(xiàn)一個構(gòu)造簡單，固化程度高，功能全面的系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計將是FPGA技術(shù)應(yīng)用最廣大的市場，具有極大的爆發(fā)性的需求空間產(chǎn)品設(shè)計對技術(shù)人員的要求比較高，路途也比較漫長不過現(xiàn)在整個行業(yè)正處在組建“首發(fā)團(tuán)隊”的狀態(tài)，只要加入，前途光明產(chǎn)品設(shè)計是一種職業(yè)發(fā)展方向定位，不是簡單的愛好就能做到的!產(chǎn)品設(shè)計領(lǐng)域會造就大量的企業(yè)和企業(yè)家，是一個發(fā)展熱點和機(jī)遇。

4.3系統(tǒng)級

系統(tǒng)級的應(yīng)用是FPGA與傳統(tǒng)的計算機(jī)技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)一種FPGA版的計算機(jī)系統(tǒng)如用Xilinx　V-4，V-5系列的FPGA，實現(xiàn)內(nèi)嵌POWER　PC　CPU，然后再配合各種外圍功能，實現(xiàn)一個基本環(huán)境，在這個平臺上跑LINUX等系統(tǒng)，這個系統(tǒng)也就支持各種標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和功能接口(如圖象接口)了這對于快速構(gòu)成FPGA大型系統(tǒng)來講是很有幫助的。這種“山寨”味很濃的系統(tǒng)早期優(yōu)勢不一定很明顯，類似ARM系統(tǒng)的境況但若能慢慢發(fā)揮出FPGA的優(yōu)勢，逐漸實現(xiàn)一些特色系統(tǒng)也是一種發(fā)展方向。若在系統(tǒng)級應(yīng)用中，開發(fā)人員不具備系統(tǒng)的擴(kuò)充開發(fā)能力，只是搞搞編程是沒什么意義的，當(dāng)然設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)是另一種情況，搞系統(tǒng)級應(yīng)用看似起點高，但不具備深層開發(fā)能力，很可能會變成愛好者，就如很多人會做網(wǎng)頁但不能稱做會編程。類似以上是幾點個人觀點，希望能幫助想學(xué)FPGA但很茫然無措的人理一理思路。這是一個不錯的行業(yè)，有很好的個人成功機(jī)會。但也肯定是一個競爭很激烈的行業(yè)，關(guān)鍵看的就是速度和深度當(dāng)然還有市場適應(yīng)能力。

本文總結(jié)了FPGA的背景、工作原理、優(yōu)缺點以及應(yīng)用。總而言之，F(xiàn)PGA是依靠硬件來實現(xiàn)所有的功能，速度上可以和專用芯片相比，但設(shè)計的靈活度與通用處理器相比有很大的差距。
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