浅谈FPGA基础入门相关知识，一文让你了解清楚

FPGA作为一种高新技术，结构有着特殊性，越来越受到电子爱好者的青睐，其应用已经逐渐普及到了各行各业。

很多人想要进入FPGA的大门了解这门技术，IC修真院为大家整理了FPGA基础入门相关知识，下面我们就一起来了解一下吧。

FPGA简介

FPGA普遍用于实现数字电路模块，用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的需求。它还具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。可以毫不夸张的讲，FPGA能完成任何数字器件的功能，下至简单的74电路，上至高性能CPU，都可以用FPGA来实现。FPGA如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由的设计一个数字系统。

FPGA发展史

FPGA的发展历史如下图所示。相对于PROM、PAL/GAL、CPLD而言，FPGA规模更大性能更高。

FPGA芯片主流生产厂家包括Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi，其中前两家的市场份额合计达到88%。目前FPGA主流厂商全部为美国厂商。国产FPGA由于研发起步较美国晚至少20年，目前还处于成长期，仅限于低端，在通信市场还没有成熟应用。

2015年12月，Intel公司斥资167亿美元收购了Altera公司。Altera被收购后不久即制定了英特尔处理器与FPGA集成的产品路线图。这两种产品集成的好处是可以提供创新的异构多核架构，适应例如人工智能等新市场的需求，同时能大幅缩减功耗。

FPGA在电信领域的应用历史

FPGA在航天、军工、电信领域有非常成熟和广泛的应用。以电信领域为例，在电信设备一体机阶段，FPGA由于其编程的灵活性以及高性能被应用网络协议解析以及接口转换。

在NFV（NetworkFunction Virtualization阶段，FPGA基于通用服务器和Hypervisor实现网元数据面5倍的性能提升，同时能够被通用Openstack框架管理编排。

在云时代，FPGA已经被作为基本IaaS资源在公有云提供开发服务和加速服务，AWS、华为、BAT均有类似通用服务提供。

截至目前，Intel的Stratix 10器件已被成功应用于微软实时人工智能云平台Brainwave项目。

FPGA的缺点

FPGA的缺点是成本高，为什么这么说呢？专用的电路一定是把所有的电路都用上了，来实现我们所需要的功能。FPGA要同时满足A、B、C的功能。但满足A的某些功能在B或C上肯定是用不上的，所以它的利用率比较低，也可以理解为它的成本高。

所以FPGA只能做一些高端的少批量的运用。当发现市场前景非常好，想要降成本的时候，可以把FPGA的代码变成集成电路去生产。

FPGA的基本结构

FPGA不像专用的ASIC那样通过固定的逻辑门电路来完成，而只能采用一种可重复配置的结构来实现，查找表（LUT）可以很好的满足这一要求。

查找表（Look-Up-Table）是什么？其本质上是一个RAM存储器。

举例说明，以数字逻辑Y=A&B&C为例。在专用ASIC中，为实现该逻辑，逻辑门都已经事先确定好，如下图所示：

Y=A&B&C的实现结构

在FPGA中就不一样。A、B、C通过编程可以是任意关系。设计过程如下：

先用代码写出Y=A&B&C，然后用EDA工具（QUARTUS或其他开发工具）分析这一行代码，得出A、B、C在不同输入组合下（共8种），Y的值分别是多少，其真值表如下图所示：

然后，软件工具将所有结果写到查找表（LUT）上，从而实现该代码的功能。

FPGA应用场景

FPGA功能强大，试验难度大，一般用在通信接口的设计以及数字信号处理等比较高端（数据量大、数据传输快、精度要求高）的场合。日常应用中，要求不是特别高的场合广泛使用单片机来实现。

FPGA还有一个特殊的应用场合，即ASIC的原型验证。

怎么理解？集成电路开发流程长，风险高，当做一个集成电路开发的时候，从代码编写到仿真验证，到PCB的布局布线，再到最后的生产都需要经过很长的时间周期。

为了保证成功率，希望一次通过，在生产之前可以在FPGA上跑一跑，验证一下功能是否正常。

FPGA的非标场合（用量少的场合，常用于军工领域。)

例如，USB等接口标准是固定的。但有一些特殊场合，它的市场需求本身不大，它本身也是某种特殊定义的接口，这种接口在市场上很难找到对应的芯片去实现这种接口，这时FPGA就可以派上用场，可以自己设计内部结构电路跟这种接口进行对接。

FPGA学习重点

1. 看代码，建模型

只有在脑海中建立了一个个逻辑模型，理解FPGA内部逻辑结构实现的基础，才能明白为什么写Verilog和写C整体思路是不一样的，才能理解顺序执行语言和并行执行语言的设计方法上的差异。在看到一段简单程序的时候应该想到是什么样的功能电路。
　　
2. 用数学思维来简化设计逻辑

学习FPGA不仅逻辑思维很重要，好的数学思维也能让你的设计化繁为简，所以啊，那些看见高数就头疼的童鞋需要重视一下这门课哦。举个简单的例子，比如有两个32bit的数据X[31:0]与Y[31:0]相乘。

当然，无论Altera还是Xilinx都有现成的乘法器IP核可以调用，这也是最简单的方法，但是两个32bit的乘法器将耗费大量的资源。那么有没有节省资源，又不太复杂的方式来实现呢？我们可以稍做修改：
　　
将X[31:0]拆成两部分X1[15:0]和X2[15:0]，令X1[15:0]=X[31:16]，X2[15:0]=X[15:0]，则X1左移16位后与X2相加可以得到X；同样将Y[31:0]拆成两部分Y1[15:0]和Y2[15:0]，令 Y1[15:0]=Y[31:16]，Y2[15:0]=Y[15:0]，则Y1左移16位后与Y2相加可以得到Y，则X与Y的相乘可以转化为X1和X2 分别与Y1和Y2相乘，这样一个32bit32bit的乘法运算转换成了四个16bit16bit的乘法运算和三个32bit的加法运算。转换后的占用资源将会减少很多，有兴趣的童鞋，不妨综合一下看看，看看两者差多少。
　　
3. 时钟与触发器的关系

“时钟是时序电路的控制者”这句话太经典了，可以说是FPGA设计的圣言。FPGA的设计主要是以时序电路为主，因为组合逻辑电路再怎么复杂也变不出太多花样，理解起来也不没太多困难。

但是时序电路就不同了，它的所有动作都是在时钟一拍一拍的节奏下转变触发，可以说时钟就是整个电路的控制者，控制不好，电路功能就会混乱。
　　
打个比方，时钟就相当于人体的心脏，它每一次的跳动就是触发一个 CLK，向身体的各个器官供血，维持着机体的正常运作，每一个器官体统正常工作少不了组织细胞的构成，那么触发器就可以比作基本单元组织细胞。

时序逻辑电路的时钟是控制时序逻辑电路状态转换的“发动机”，没有它时序逻辑电路就不能正常工作。

因为时序逻辑电路主要是利用触发器存储电路的状态，而触发器状态变换需要时钟的上升或下降沿，由此可见时钟在时序电路中的核心作用。
　　
最后简单说一下体会吧，归结起来就是多实践、多思考、多问。实践出真知，看100遍别人的方案不如自己去实践一下。实践的动力一方面来自兴趣，一方面来自压力。有需求会容易形成压力，也就是说最好能在实际的项目开发中锻炼，而不是为了学习而学习。

FPGA入门简单精通难。要想入门，买一块开发板跟着例程走一遍，其实打好了坚实的基础后面才能一马平川。想了解更多关于FPGA知识，可以关注IC修真院哦！