FPGA是什么？

FPGA是一种可编程的数字逻辑芯片，我们可以通过对其编程实现几乎任何的数字功能。可以说在数字世界里它无所不能，就像乐高的积木一样可以搭建各种不同的功能模块，实现你所希望的各种功能，当然，首先你必须掌握最基本的数字逻辑知识，学会一种用来构建各种功能的工具语言（在这里我们推荐广受欢迎的Verilog），再次你要动脑（考验的是你的逻辑思维是否清晰），一个优秀的建筑师的作品是在脑子里勾画出来的，而不是拿积木碰运气拼凑出来的。

1. 简介

FPGA（Field－Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

1.1 背景

以硬件描述语言（Verilog或VHDL）所完成的电路设计，可以经过简单的综合与布局，快速的烧录至FPGA上进行测试，是现代IC设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面，这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器（Flip－flop）或者其它更加完整的记忆块。

系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。

FPGA一般来说比ASIC（专用集成电路）的速度要慢，实现同样的功能比ASIC电路面积要大。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。

FPGA的开发相对于传统PC、单片机的开发有很大不同。FPGA以并行运算为主，以硬件描述语言来实现；相比于PC或单片机（无论是冯诺依曼结构还是哈佛结构）的顺序操作有很大区别，也造成了FPGA开发入门较难。FPGA开发需要从顶层设计、模块分层、逻辑实现、软硬件调试等多方面着手。

1.2 发展历程

1985年，当全球首款FPGA产品——XC2064诞生, 它采用2μm工艺，包含64个逻辑模块和85000个晶体管，门数量不超过1000个。最初，FPGA只是用于胶合逻辑(Glue Logic)，从胶合逻辑到算法逻辑再到数字信号处理、高速串行收发器和嵌入式处理器，FPGA真正地从配角变成了主角。22年后的2007年，FPGA业界双雄Xilinx和Altera公司纷纷推出了采用最新65nm工艺的FPGA产品，其门数量已经达到千万级，晶体管个数更是超过10亿个。一路走来，FPGA在不断地紧跟并推动着半导体工艺的进步——2001年采用150nm工艺、2002年采用130nm工艺，2003年采用90nm工艺，2006年采用65nm工艺。

在上世纪80年代中期，可编程器件从任何意义上来讲都不是当时的主流，虽然其并不是一个新的概念。可编程逻辑阵列(PLA)在1970年左右就出现了，但是一直被认为速度慢，难以使用。1980年之后，可配置可编程逻辑阵列(PLA)开始出现，可以使用原始的软件工具提供有限的触发器和查找表实现能力。PAL被视为小规模/中等规模集成胶合逻辑的替代选择被逐步接受，但是当时可编程能力对于大多数人来说仍然是陌生和具有风险的。20世纪80年代在“megaPAL”方面的尝试使这一情况更加严重，因为“megaPAL”在功耗和工艺扩展方面有严重的缺陷，限制了它的广泛应用。

当1991年Xilinx公司推出其第三代FPGA产品——XC4000系列时，人们开始认真考虑可编程技术了。XC4003包含44万个晶体管，采用0.7μm工艺，FPGA开始被制造商认为是可以用于制造工艺开发测试过程的良好工具。事实证明，FPGA可为制造工业提供优异的测试能力，FPGA开始用来代替原先存储器所扮演的用来验证每一代新工艺的角色。也许从那时起，向最新制程半导体工艺的转变就已经不可阻挡了。最新工艺的采用为FPGA产业的发展提供了机遇。

Actel公司相信，Flash将继续成为FPGA产业中重要的一个增长领域。Flash技术有其独特之处，能将非易失性和可重编程性集于单芯片解决方案中，因此能提供高成本效益，而且处于有利的位置以抢占庞大的市场份额。Actel以Flash技术为基础的低功耗IGLOO系列、低成本的ProASIC3系列和混合信号Fusion FPGA将因具备Flash的固有优势而继续引起全球广泛的兴趣和注意。

FPGA及PLD产业发展的最大机遇是替代ASIC和专用标准产品(ASSP)，主要由ASIC和ASSP构成的数字逻辑市场规模大约为350亿美元。由于用户可以迅速对PLD进行编程，按照需求实现特殊功能，与ASIC和ASSP相比，PLD在灵活性、开发成本以及产品及时面市方面更具优势。然而，PLD通常比这些替代方案有更高的成本结构。因此，PLD更适合对产品及时面市有较大需求的应用，以及产量较低的最终应用。PLD技术和半导体制造技术的进步，从总体上缩小了PLD和固定芯片方案的相对成本差，FPGA和PLD供应商的关键目标不是简单地增加更多的原型客户，而是向大批量应用最终市场和客户渗透。”John Daane为FPGA产业指明了方向。

1.3 主要厂商

  • Altera是专注于可编程逻辑器件（PLDs）、重配置复杂数字电路的美国公司。该公司于1984年发布器第一款PLD，目前已经是全球最大的PLD供应商，第二大的FPGA供应商，其主要产品线为高端的Stratix,中端Arria以及低端的Cyclone系列FPGA以及MAX系列的CPLDs，其设计软件为Quartus II以及Enpirion 系列的PowerSoC DC-DC电源方案. 2015年12月8日Altera以167亿美元卖给Intel，正式已经成为Intel的一个产品部门 － PSG（可编程系统部）。更多最新信息参见Wikipedia关于Altera的介绍。

  • Lattice Semi是一家高性能可编程逻辑器件（FPGAs，CPLD，一季SPLDs）的美国公司，成立于1983年，在全球有大约700名员工，为全球第三的FPGA供应商，全球第二的CPLDs & SPLDs。其主要产品线为高端的ECP系列，中端的MACH系列以及低端的ICE系列，其设计软件为Diamond和Radiant。更多最新信息参见Wikipedia关于Lattice Semiconductor公司的介绍。

  • Cypress是美国一家在嵌入式系统领域（汽车电子、工业控制、网络平台到高交互消费、移动设备）专注于高性能、高质量解决方案的设计和生产企业。它提供比较宽泛但差异化的产品线，比如NOR Flash存储器、F-RAM™以及SRAM, Traveo™ 微控制器, 业界独特的PSoC® 可编程片上系统, 模拟和PMIC电源管理集成电路, CapSense® 电容触摸感知控制器,以及无线低功耗蓝牙BLE 和USB连接方案。更多最新信息参见Wikipedia关于Cypress Semiconductor公司的介绍。

  • Actel已经被Microsemi收购，主要产品为非易失, 低功耗的FPGA，混合信号FPGA以及可编程逻辑方案。其产品线有反熔丝结构的FPGA和基于Flash的FPGA两种，开发平台是Libero, 主要用于高可靠性的领域，比如航空航天。MicroSemi也已经被MicroChip收购。更多最新信息参见Wikipedia关于Actel公司的介绍。

2. FPGA、CPLD、MCU的比较

2.1 FPGA和CPLD的区别

FPGA和CPLD是一回事么？不是的，它们都是可编程的数字逻辑芯片，但有着不同的特性。 早在1980年代中期，FPGA已经在PLD设备中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相对大数量的可编辑逻辑单元。CPLD逻辑门的密度在几千到几万个逻辑单元之间，而FPGA通常是在几万到几百万。

  • CPLD和FPGA的主要区别是他们的系统结构。CPLD是一个有点限制性的结构。这个结构由一个或者多个可编辑的结果之和的逻辑组列和一些相对少量的锁定的寄存器组成。这样的结果是缺乏编辑灵活性，但是却有可以预计的延迟时间和逻辑单元对连接单元高比率的优点。而FPGA却是有很多的连接单元，这样虽然让它可以更加灵活的编辑，但是结构却复杂的多。
  • CPLD和FPGA另外一个区别是大多数的FPGA含有高层次的内置模块（比如加法器和乘法器）和内置的存储器。因此很多新的FPGA支持完全或者部分的系统内重新配置。允许他们的设计随着系统升级或者动态重新配置而改变。一些FPGA可以让设备的一部分重新编辑而其他部分继续正常运行。
  • CPLD和FPGA还有一个区别：CPLD下电之后，原有烧入的逻辑结构不会消失；而FPGA下电之后，再次上电时，需要重新加载FLASH里面的逻辑代码，需要一定的加载时间。
  • FPGA是细颗粒的器件，意味着它们由非常多（高达10万以上）的微小的由触发器构成的逻辑功能块组成，而CPLD则是粗颗粒的器件，它们由相对较少的（最多几百个）但比较大的由触发器构成的逻辑块组成
  • FPGA是基于RAM的，每次上电的时候需要重新下载配置，而CPLD是基于EEPROM的，上电的时候就开始工作；
  • FPGA有特殊的布线资源已实现有效的运算功能（二进制计数器、加法器、比较器等），CPLD则没有；

总之，FPGA包含比较大的数字设计，CPLD值包含小的设计

2.2 FPGA和微控制器的区别

FPGA和微控制器是一回事么？不！

  • FPGAs实现的可编程逻辑单元能够并行执行；
  • 微控制器是基于CPU架构的，以串行的方式执行指令，虽然其片上的外设能够与它们的CPU并行操作，但它们相比起FPGA可编程性更弱。

3. 为什么用FPGA？

FPGA的技术优势：灵活的开发周期、更低的设计迭代成本、更低的一次性工程费用（NRE），易于评估和实现的可选设计架构，新产品上市时间快。 相比于ASIC和MCU来讲，FPGA具有以下优势：

  1. 功能强大，并大量并行处理结构；可以实现数字设计领域几乎所有的功能 － 组合逻辑、时序逻辑、存储、处理器；现今的FPGA芯片集成了更多功能，比如PLL时钟产生、分配、驱动，支持各种高速接口规范的可编程IO，硬核化的SPI／I2C总线以及ARM内核等，增强的DSP单元，Altera公司（现已被Intel收购）的MAX10甚至集成了串行ADC能够对监测环境的温度。
  2. 开发快，上市时间短，适合原型设计或小批量产品，FPGA高度灵活，设计实现和后续优化的灵活性可以显著影响项目的进度、设计的复杂度，降低项目的风险，便于更改和升级。
  3. 重复编程/配置，灵活、快速
  4. 集成度高，可以通过选用不同规模的器件实现自己所需要的功能，内部功能模块之间的通信和接口的速度、性能都会较多个分立的芯片之间互连有明显的改善，节省板卡空间，便于调试

4. 参考读物