FPGA入門之什么是FPGA

第1節(jié) 什么是 FPGA

FPGA 的全稱為 Field-Programmable Gate Array ，即現(xiàn)場可編程門陣列。FPGA 是在 PAL、 GAL、 CPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物， 是作為專用集成電路（ ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。簡而言之， FPGA 就是一個(gè)可以通過編程來改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)的芯片 。

FPGA 功能實(shí)現(xiàn) ：需要通過編程即設(shè)計(jì)硬件描述語言，經(jīng)過 EDA 工具編譯、綜合、布局布線成后轉(zhuǎn)換為可燒錄的文件，

最終加載到 FPGA 器件中去，改變 FPGA 內(nèi)部的連線，最終完成所實(shí)現(xiàn)的功能。

FPGA 性能對(duì)比 ：FPGA 相比于單片機(jī)、 CPU 等集成電路芯片擁有效率更高、功耗更低的特點(diǎn)，但是易于開發(fā)程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如單片機(jī)、 CPU；在數(shù)字芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域， FPGA 雖然相比 ASIC 具有更短的開發(fā)周期與開發(fā)難度， 但是其存在著成本過高、性能較差并且在資源的利用率上遠(yuǎn)不及 ASIC 等問題，不能真正的替代 ASIC。

第2節(jié) FPGA 的基本結(jié)構(gòu)

FPGA 可編程的特性決定了其實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯的結(jié)構(gòu)不能像專用 ASIC 那樣通過固定的邏輯門電路來完成，而只能采用一種可以重復(fù)配置的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)， 而查找表(LUT)可以很好地滿足這一要求， 目前主流的 FPGA 芯片仍是基于 SRAM 工藝的查找表結(jié)構(gòu) 。

FPGA 芯片參數(shù)指標(biāo) ：包含可編程邏輯模塊的數(shù)量、固定功能邏輯模塊（如乘法器）的數(shù)目及存儲(chǔ)器資源（如嵌入式 RAM）的大小。

在 最底層的可配置邏輯模塊 （如片上的邏輯單元） 上，存在著基本的兩種部件：觸發(fā)器和查找表（ LUT） ， 而觸發(fā)器和查找表的組合方式不同，是各個(gè) FPGA 家族之間區(qū)別的重要依據(jù)， 并且查找表本身的結(jié)構(gòu)也可能各不相同（ 有 4 輸入或 6 輸入或其他）。

查找表（ Look-Up-Table）簡稱為 LUT， 其本質(zhì)上就是一個(gè) RAM。目前 FPGA 內(nèi)部中多使用 4輸入的 LUT，每一個(gè) LUT 可以看成一個(gè)有 4 位地址線的 RAM。

當(dāng)用戶在 EDA 工具上通過原理圖或 硬件描述語言設(shè)計(jì)了一個(gè)邏輯電路以后， FPGA 開發(fā)軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算邏輯電路的所有可能結(jié)果，并把真值表（即結(jié)果）事先寫入 RAM 中。這樣，每輸入一個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查找表操作， 通過地址找到對(duì)應(yīng)的 RAM 中的結(jié)果， 最后將其輸出。以實(shí)現(xiàn)數(shù)字邏輯 Y=A&B&C 的功能為例。如果是在專用 ASIC 中，為了實(shí)現(xiàn)該邏輯，邏輯門都已經(jīng)事先確定好， Y 的輸出值為兩個(gè)邏輯與運(yùn)算后的結(jié)果，其基本的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)如下圖所示：

與門示意圖

對(duì)Y=A&B&C 的 利用FPGA 實(shí)現(xiàn)基本結(jié)構(gòu) ：

示意圖

第3節(jié) 更為復(fù)雜的 FPGA 架構(gòu)

隨著技術(shù)的發(fā)展和工藝節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步， FPGA 的容量和性能在不斷提高的同時(shí)， 其功耗卻不斷的優(yōu)化減少。2006 年以前四輸入查找表一直被廣泛使用， 在一些 高端器件可能會(huì)用上六輸入、八輸入或更多輸入端口的查找表 。而一個(gè)多輸入的查找表又可以分解成較小輸入的查找表， 即能夠分裂成許多更小的功能。例如一個(gè)八輸入的查找表可以分解成兩個(gè)四輸入的查找表或分解成一個(gè)三輸入加一個(gè)五輸入的查找表。 在實(shí)際的高端器件中，這種可編程構(gòu)造可以描述相當(dāng)于百萬級(jí)（有時(shí)甚至千萬級(jí)）的原始邏輯門 。

在 FPGA 內(nèi)部，利用 FPGA 的可編程性在芯片內(nèi)部構(gòu)造實(shí)現(xiàn)了一個(gè)計(jì)數(shù)器邏輯，有著“軟內(nèi)核”與“硬內(nèi)核”之分。

軟內(nèi)核（軟功能） ：在構(gòu)造計(jì)數(shù)器邏輯過程中使用到的功能便可以被稱為軟功能。

硬內(nèi)核（硬功能） ：功能若是直接利用芯片實(shí)現(xiàn)的，則是利用了芯片內(nèi)部的硬功能。

軟內(nèi)核與硬內(nèi)核之間優(yōu)勢互補(bǔ)，軟內(nèi)核的優(yōu)勢在于可以在利用芯片資源的基礎(chǔ)上利用編程設(shè)計(jì)讓其完成需要實(shí)現(xiàn)的任何功能（注意是數(shù)字功能，不包括模擬功能）。而硬內(nèi)核由于是實(shí)現(xiàn)固定功能的器件，因此其優(yōu)勢在于資源利用率高且功耗較低， 占用硅片的面積也較小， 并具有較高的性能。最重要的區(qū)別在于：與軟內(nèi)核相比硬內(nèi)核可用于實(shí)現(xiàn)模擬功能， 例如鎖相環(huán)的倍頻功能，這個(gè)功能需要在模擬電路下實(shí)現(xiàn)，所以這一部分是在 FPGA 內(nèi)部用硬件來實(shí)現(xiàn)的 。

第4節(jié) 帶嵌入式處理器的 FPGA

利用 FPGA 的可編程構(gòu)造實(shí)現(xiàn)的事情之一即為使用其中的一部分?jǐn)?shù)字邏輯資源制作一個(gè)或多個(gè)軟處理器內(nèi)核， 當(dāng)然， 也可以實(shí)現(xiàn)不同規(guī)模的處理器。

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這個(gè)芯片是一種新的SoC（System on Chip，系統(tǒng)級(jí)芯片） FPGA，完全以硬內(nèi)核方式實(shí)現(xiàn)的雙路 ARM Cortex-A9 微控制器子系統(tǒng)（運(yùn)行時(shí)鐘高達(dá) 1GHz，包含浮點(diǎn)引擎，片上緩存，計(jì)數(shù)器，定時(shí)器等）以及種類廣泛的硬內(nèi)核接口功能（ SPI， I2C， CAN等），還有一個(gè)硬內(nèi)核的動(dòng)態(tài)內(nèi)存控制器，所有這些組件都 利用大量傳統(tǒng)的可編程構(gòu)造和大量的通用輸入輸出（ GPIO）引腳進(jìn)行了性能增強(qiáng) 。

第5節(jié) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及配置方式

在 FPGA 內(nèi)部存在著存儲(chǔ)單元片內(nèi) RAM 塊，數(shù)據(jù)是存放在 RAM 中并由其來設(shè)置工作狀態(tài)的，若想要 FPGA 進(jìn)行工作，就需要對(duì)片內(nèi) RAM 進(jìn)行編程 。而如果外部有大量數(shù)據(jù)交互時(shí)，就要通過增加外設(shè)來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行暫時(shí)性的存儲(chǔ)，如 SDRAM 存儲(chǔ)器或者 DDR3 存儲(chǔ)器，暫存在外設(shè)中的數(shù)據(jù)最終也是要通過 FPGA 內(nèi)部的 RAM 進(jìn)行存儲(chǔ)與處理。當(dāng)在 EDA 工具上將程序設(shè)計(jì)完成之后，便需要將軟件上的程序燒錄進(jìn) FPGA 內(nèi)部。通過不同的配置模式， FPGA 便會(huì)有不同的編程方式。

常用的幾種配置模式 ：

1. 并行模式 ：通過并行 PROM（Programmable read-only memory，可編程只讀存儲(chǔ)器）、 Flash （Macromedia Flash。多媒體軟件平臺(tái)）配置 FPGA；
2. 主從模式 ：使用一片 PROM 配置多片 FPGA；
3. 串行模式 ：串行 PROM 配置 FPGA；
4. 外設(shè)模式 ：將 FPGA 作為微處理器的外設(shè)，由微處理器對(duì)其編程。

目前， 主流的 FPGA 都是基于 SRAM （Static Random-Access Memory，靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器）工藝的， 在 大部分的 FPGA 開發(fā)板上，使用的都是串行配置模式 。由于 SRAM 掉電就會(huì)丟失內(nèi)部數(shù)據(jù) ，因此往 往都會(huì)外接一個(gè)能夠掉電保存數(shù)據(jù)的片外存儲(chǔ)器以保存程序 。這樣一來， 上電時(shí) FPGA 便將外部存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)讀入片內(nèi) RAM 以完成配置， 對(duì) FPGA 編程完成后便進(jìn)入工作狀態(tài)；掉電后 FPGA 內(nèi)部 SRAM 中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)丟失，邏輯清零。以這種方式配置 FPGA 不僅能反復(fù)使用，還無需重復(fù)的手動(dòng)配置。完成一次主動(dòng)配置之后每次上電便會(huì)自動(dòng)的實(shí)現(xiàn) FPGA 的內(nèi)部編程。

FPGA在芯片制造大廠會(huì)有比較多的崗位，一般的嵌入式消費(fèi)公司崗位很少，我有認(rèn)識(shí)一個(gè)同學(xué)，從大學(xué)就開始學(xué)習(xí)FPGA，我們那年電賽就是用的FPGA來完成的，現(xiàn)在他也還一直從事FPGA開發(fā)。