差别

这里会显示出您选择的修订版和当前版本之间的差别。

到此差别页面的链接

两侧同时换到之前的修订记录 前一修订版
后一修订版 		前一修订版
what_is_fpga [2021/09/13 00:52]
gongyu [1 数字逻辑、可编程逻辑及FPGA] 		what_is_fpga [2021/09/13 22:54] (当前版本)
gongyu
行 1: 行 1:
 +## 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。 [[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。
 {{ :​altera-fpgas.jpg |}} {{ :​altera-fpgas.jpg |}}
  
-用FPGA做设计的一般工作流程： +### 1. 简介
-  - 在电脑上通过绘制电路图或者文本文件描述的方式来描述一个你想要实现的“数字功能” +
-  - 在电脑上使用FPGA厂商提供的软件来编译你描述的“逻辑功能”，生成一个可以下载到FPGA内的二进制文件 +
-  - 将你的电脑连接FPGA，将上述生成的二进制文件下载到FPGA中去 +
-  - 你的FPGA就会执行你设想的“逻辑功能” +
- +
-记住这些： +
-  * 你可以任意多次地下载配制FPGA，没有次数限制，每次可以是不同的功能。如果在你的设计中出现了错误，只要修复你的”逻辑功能“，再重新编译，再重现下载就可以。不需要重新设计PCB，不需要重新焊接或更换元器件。 +
-  * 所有的逻辑都是运行在FPGA内部，也就是硅片上，因此相对于用分立元器件搭建的电路板而言，在FPGA上你的设计会运行的更快 +
-  * 每次断电FPGA芯片本身就会失去其功能，必须在下一次加电的时候重新从为FPGA搭配的Flash中下载代码才能让FPGA重新工作 +
- +
-### 1. FPGA是什么？+
 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。 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。
  
-#### 背景+#### 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。 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。
  
行 23: 行 13:
 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 
 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。 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。
  
-#### 产品比较 +#### 1.2 发展历程
-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。 +
- +
-#### 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。 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。
  
行 43: 行 26:
 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。 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。
  
-### 主要厂商+#### 1.3 主要厂商
  
 {{ :​altera_logo.jpg?​100|}} {{ :​altera_logo.jpg?​100|}}
行 57: 行 40:
  
  
-### FPGA和CPLD的区别+### 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。 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；
行 65: 行 54:
 总之，FPGA包含比较大的数字设计，CPLD值包含小的设计 总之，FPGA包含比较大的数字设计，CPLD值包含小的设计
  
-### FPGA和微控制器的区别+#### 2.2 FPGA和微控制器的区别
 FPGA和微控制器是一回事么？不！ 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；   * 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。   * 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。
  
-在进入正式的学习之前，先给大家提供两本基础的英文书，同学们可以下载了进行阅读。 +### 3. 为什么用FPGA？
-{{ :​fpga_for_dummies.jpg?​100|}} ​ {{ :​introduction_to_digital_design_top_600_35755.1448322782.1280.1280.png?​150|}} +
-  * 傻瓜都能掌握的FPGA知识:​ {{:​fpgasfordummiesebook.pdf|FPGA for Dummies}} +
-  * 美国大学的数字电路／Verilog教程（基于Digilent的板卡，使用的是Xilinx的芯片）{{:​intro_to_digital_design-digilent-verilog_online.pdf|Introduction to Digital Design Using Digilent FPGA Boards}} +
- +
- +
- +
----- +
-====1 数字逻辑、可编程逻辑及FPGA==== +
-FPGA（Field Programmable Gate Array）译作中文为：现场可编程门阵列，也就是设计者可以在现场对可定制的数字逻辑进行编程的集成电路，相比于其它的硬件构成，它允许你构建你所需要的硬件而不需要[[ASIC]]（专用集成电路），而且比采用微处理器内核更简单、快速、省电。 +
- +
-关于FPGA的大概介绍，参考我们的培训文档：{{:​ecbc可编程逻辑基础.pdf|ECBC可编程逻辑基础PPT}} +
- +
-===1.1 ​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。 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： 相比于[[ASIC]]和[[MCU]]来讲，FPGA具有以下优势：
行 91: 行 67:
   - 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 ​   - 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 
 +{{ :​fpga_for_dummies.jpg?​100|}} ​ {{ :​introduction_to_digital_design_top_600_35755.1448322782.1280.1280.png?​150|}} 
 +  * 傻瓜都能掌握的FPGA知识:​ {{:​fpgasfordummiesebook.pdf|FPGA for Dummies}} 
 +  * 美国大学的数字电路／Verilog教程（基于Digilent的板卡，使用的是Xilinx的芯片）{{:​intro_to_digital_design-digilent-verilog_online.pdf|Introduction to Digital Design Using Digilent FPGA Boards}} 
 +  * {{:​ecbc可编程逻辑基础.pdf|ECBC可编程逻辑基础PPT}}