FPGA原理简介

本文将简练地介绍FPGA的硬件原理及使用方法

FPGA和CPLD是什么

FPGA和CPLD都是可编程逻辑器件，构造不同而已。
FPGA：Field－Programmable Gate Array
CPLD：Complex Programmable Logic Device

FPGA是数字器件，但又相当于一张白纸没有特定的功能。
我们可以通过软件对其硬件结构进行重新构造，实现任何常见的以及从未见过的数字器件功能（wait…软件能改变硬件结构？变形金刚吗？是的！）。我们不用像传统设计方式那样，每次做电路、升级电路都要重新买器件、焊电路。使用FPGA设计，发现逻辑电路设计不对，只需要改改代码就能把逻辑电路修正，而电路板和FPGA器件可以不换。

编程语言有VerilogHDL 、VHDL等,开发软件可以用Quartus等.这里的HDL是指硬件描述语言Hardware Description Language.

CPLD的“与或门阵列”

下面来介绍一下“变形金刚”的原理。如下图是CPLD内部的一种基本结构：”与或门阵列”。
A0、A1是输入信号，F0、F1是输出信号。
图中的黑点·和×代表横竖交叉的两条线是连接的。黑点表示此处固定连接，不可编程修改，×表示此处可编程为连接或断开。

与或门阵列

通过设置“与阵列”和“或阵列”中交叉点的连接、断开，可以得到F(A0，A1)的任意一种组合逻辑表达式。
故，该电路在硬件不更换的条件下，通过改变交叉点状态，对应逻辑功能是可以再次改变的，所以称为可编程逻辑器件（PLD）。

这些交叉点的通断控制有很多实现方式，起初用紫外线或激光对交叉点进行照射使其熔断或熔接。现在可以用存储器的值去控制三极管通断实现交叉点通断。所以，对可编程逻辑器件下载配置，实际上可以理解为给存储器赋值。

FPGA的查找表结构

FPGA内部可编程单元结构采用"查找表结构"（LUT，look up table）如下图，左侧一列是16X1bit的位存储单元 RAM。输入信号是ABCD，输出信号F在图的最右侧。ABCD相当于这个存储器的地址线，选择16位存储器中的一个值输出。通过修改存储单元RAM的内容，这个电路结构就可实现任意的F（A，B，C，D）逻辑函数。这个结构和数字电路中真值表的功能是一模一样的。根据输入地址，输出不同值，所以叫查找表结构。

LUT查找表结构

小结

VerilogHDL是我们描述电路功能的语言，软件Quartus根据Verilog让计算机自动设计出电路结构，并将这种结构配置到FPGA芯片中，实现其内部结构的重构。

在现代电子系统设计中，FPGA\CPLD的使用，极大地降低了用户设计大规模数字电路的难度，实现了电子设计自动化（EDA，Electronic Design Automation）。

FPGA、CPLD内部结构非常丰富，绝不局限于以上内容。本文​仅帮助大家快速揭开可编程逻辑器件的神秘之处。

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FPGA和单片机

初学FPGA的朋友，经常把FPGA和单片机搞混，认为FPGA也是一种单片机。这种理解是不妥当的。

他们的结构完全不同。FPGA\CPLD可说是一种"硬件可编程器件"，它通过＂重构＂硬件以实现不同的器件功能，甚至实现一个单片机也完全没有问题。
而所有的单片机，包括89C51，AVR，STM32……它们的硬件结构和动作是固化的，都是cpu读取程序存储器指令并执行，然后再读下一条指令，无限循环。通过改变被读取的程序内容，最终实现不同功能。

CPU工作原理

FPGA可以做单片机做的事情，单片机做不了FPGA的事情。这并不是说FPGA就比单片机优秀，它们结构不同，应用场合也不完全一样。
举几个例子吧：
1、实现快速傅里叶变换，FPGA做出来是硬件FFT输出，速度快。单片机是通过程序一步步演算出FFT。
2、一个FPGA内可以设计N多种数字器件，相互独立，同时工作。单片机的cpu同一时刻只能执行一条指令，有多个任务时需要分时段处理。
3、由于FPGA的可定制性，它还侧重于新型芯片设计、集成芯片研发，片上系统Soc集成等。
4、大部分单片机集成了多种总线接口、AD转换器、定时器、PWM输出等，使用起来简单快捷。