FPGA基础介绍

FPGA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，又克服了原有可编辑器件门电路数有限的缺点。

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）或者其他更加完整的记忆块。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。因为这些芯片有比较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD（Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)。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。目前国内有专业的FPGA外协开发厂家，如[北京中科鼎桥ZKDQ-TECH]等。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。

1985年，当全球首款FPGA产品——XC2064诞生时，注定要使用大量芯片的PC机刚刚走出硅谷的实验室进入商业市场，因特网只是科学家和政府机构通信的神秘链路，无线电话笨重得像砖头，日后大红大紫的Bill Gates正在为生计而奋斗，创新的可编程产品似乎并没有什么用武之地。

事实也的确如此。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。在以闪电般速度发展的半导体产业里，22年足够改变一切。“在未来十年内每一个电子设备都将有一个可编程逻辑芯片”的理想正成为现实。

1985年，Xilinx公司推出的全球第一款FPGA产品XC2064怎么看都像是一只“丑小鸭”——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。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。

然而，Xilinx公司创始人之一——FPGA的发明者Ross Freeman认为，对于许多应用来说，如果实施得当的话，灵活性和可定制能力都是具有吸引力的特性。也许最初只能用于原型设计，但是未来可能代替更广泛意义上的定制芯片。事实上，正如Xilinx公司亚太区营销董事郑馨南所言，随着技术的不断发展，FPGA由配角到主角，很多系统设计都是以FPGA为中心来设计的。FPGA走过了从初期开发应用到限量生产应用再到大批量生产应用的发展历程。从技术上来说，最初只是逻辑器件，现在强调平台概念，加入数字信号处理、嵌入式处理、高速串行和其他高端技术，从而被应用到更多的领域。“90年代以来的20年间，PLD产品的终极目标一直瞄准速度、成本和密度三个指标，即构建容量更大、速度更快和价格更低的FPGA，让客户能直接享用。”Actel司总裁兼首席执行官JohnEast如此总结可编程逻辑产业的发展脉络。

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。

Altera公司估计可编程逻辑器件市场在2006年的规模大概为37亿美元，Xilinx公司的估计更为乐观一些，为50亿美元。虽然两家公司合计占据该市场90%的市场份额，但是作为业界老大的Xilinx公司在2006年的营收不过18.4亿美元，Altera公司则为12.9亿美元。PLD市场在2000年达到41亿美元，其后两年出现了下滑，2002年大约为23亿美元。虽然从2002年到2006年，PLD市场每年都在增长，复合平均增长率接近13%，但是PLD终究是一个规模较小的市场。而Xilinx公司也敏锐地意识到，FPGA产业在经历了过去几年的快速成长后将放慢前进的脚步，那么，未来FPGA产业的出路在哪里?

Altera公司总裁兼首席执行官John Daane认为，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，在以前由ASIC和ASSP占据的市场上，Altera公司已经成功地提高了PLD的销售份额，并且今后将继续这一趋势。“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采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输入输出模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。 现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。