FPGA是什么（超級(jí)詳細(xì)）

FPGA 是一種以數(shù)字電路為主的集成芯片，于 1985 年由 Xilinx 創(chuàng)始人之一 Ross Freeman 發(fā)明，屬于可編程邏輯器件（Programmable Logic Device，PLD）的一種。這個(gè)時(shí)間比著名的摩爾定律出現(xiàn)的時(shí)間晚 20 年左右，但是 FPGA 一經(jīng)發(fā)明，后續(xù)的發(fā)展速度之快，超出大多數(shù)人的想象。

圖 1 中給出了 FPGA 芯片的實(shí)物圖：

圖 1 FPGA芯片實(shí)物圖

FPGA 發(fā)展歷程

在 PLD 未發(fā)明之前，工程師使用包含若干個(gè)邏輯門的離散邏輯芯片進(jìn)行電路系統(tǒng)的搭建，復(fù)雜的邏輯功能實(shí)現(xiàn)起來較為困難。

為了解決這一問題，20 世紀(jì) 70 年代，可編程邏輯陣列（Programmable Logic Array，PLA）問世，PLA 中包含了一些固定數(shù)量的與門、非門，分別組成了“與平面”和“或平面”，即“與連接矩陣”和“或連接矩陣”，以及僅可編程一次的連接矩陣（因?yàn)榇颂幘幊淌腔谌劢z工藝的），因此可以實(shí)現(xiàn)一些相對(duì)復(fù)雜的與、或多項(xiàng)表達(dá)式的邏輯功能，PLA 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2 所示：

圖 2 PLA內(nèi)部結(jié)構(gòu)

與 PLA 同時(shí)問世的還有可編程只讀存儲(chǔ)器（Programmable Read-Only Memory，PROM），其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。與 PLA 相同，PROM 內(nèi)部包含“與連接矩陣”和“或連接矩陣”，但是與門的連接矩陣是硬件固定的，只有或門的連接矩陣可編程。

圖 3 PROM內(nèi)部結(jié)構(gòu)

若只有與門的連接矩陣可編程，而或門的連接矩陣是硬件固定的，那么這種芯片叫作可編程陣列邏輯器件（Programmable Array Logic，PAL），根據(jù)輸出電路工作模式的不同，PAL 可分為三態(tài)輸出、寄存器輸出、互補(bǔ)輸出，但 PAL 仍使用熔絲工藝，只可編程一次。PAL 的結(jié)構(gòu)圖如圖 4 所示。

圖 4 PAL結(jié)構(gòu)圖

在 PAL 的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出了通用陣列邏輯器件（Generic Array Logic，GAL），相比于 PAL，GAL 有兩點(diǎn)改進(jìn)：

• 采用了電可擦除的 CMOS 工藝，可多次編譯，增強(qiáng)了器件的可重配置性和靈活性；

• 采用了可編程的輸出邏輯宏單元（Output Logic Macro Cell，OLMC），通過編程 OLMC 可將 GAL 的輸出設(shè)置成不同狀態(tài)，僅用一個(gè)型號(hào)的GAL就可以實(shí)現(xiàn)所有PAL器件輸出電路的工作模式，增強(qiáng)了器件的通用性。

GAL 的結(jié)構(gòu)圖如圖 5 所示：

圖 5 GAL結(jié)構(gòu)圖

早期的 PLD 主要由上述四種類型的芯片組成，即 PROM、PLA、PAL 和 GAL。它們的共同特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能，但由于其結(jié)構(gòu)過于簡(jiǎn)單，所以只能實(shí)現(xiàn)規(guī)模較小的數(shù)字電路。

隨著科技的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，人們對(duì)芯片的集成度要求越來越高。早期的 PLD 產(chǎn)品不能滿足人們的需求，復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）誕生。可以把 CPLD 看作 PLA 器件結(jié)構(gòu)的延續(xù)，一個(gè) CPLD 器件也可以看作若干個(gè) PLA 和一個(gè)可編程連接矩陣的集合。CPLD 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 6 所示。

圖 6 CPLD結(jié)構(gòu)圖

FPGA 比 CPLD 早幾年問世，與 CPLD 并稱為高密度可編程邏輯器件，但它們有著本質(zhì)的區(qū)別。FPGA 芯片的內(nèi)部架構(gòu)并沒有沿用類似 PLA 的結(jié)構(gòu)，而是采用了邏輯單元陣列（Logic Cell Array，LCA）這樣一個(gè)概念，改變了以往 PLD 器件大量使用與門、非門的思想，主要使用查找表和寄存器。

除此之外，F(xiàn)PGA 和 CPLD 在資源類型、速度等方面也存在差異，如下表所示。

表：FPGA與CPLD的性能比較

器件種類/特性	FPGA	CPLD
內(nèi)部結(jié)構(gòu)	查找表（Look Up Table）	乘積項(xiàng)（Product Term）
程序存儲(chǔ)	內(nèi)部為 SRAM 結(jié)構(gòu)，外掛 EEPROM 或 Flash 存儲(chǔ)程序	內(nèi)部為 EEPROM 或 Flash
資源類型	觸發(fā)器資源豐富	組合邏輯資源豐富
集成度	高	低
使用場(chǎng)合	完成比較復(fù)雜的算法	完成控制邏輯
速度	快	慢
其他資源	RAM、PLL、DSP等	——
保密性	一般不能保密（可以使用加密核）	可加密

FPGA 的類型從內(nèi)部實(shí)現(xiàn)機(jī)理來講，可以分為基于 SRAM 技術(shù)、基于反熔絲技術(shù)、基于 EEPROM/Flash 技術(shù)。就電路結(jié)構(gòu)來講，F(xiàn)PGA 可編程是指三個(gè)方面的可編程：可編程邏輯塊、可編程 I/O、可編程布線資源?？删幊踢壿媺K是 FPGA 可編程的核心，我們上面提到的三種技術(shù)也是針對(duì)可編程邏輯塊的技術(shù)。

FPGA 的結(jié)構(gòu)圖如圖 8 所示。

圖 8 FPGA結(jié)構(gòu)圖

FPGA 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

許多讀者都知道 FPGA 功能強(qiáng)大，但它強(qiáng)大在哪兒？

以單片機(jī)舉例說明，我們都知道，單片機(jī)功能強(qiáng)大，幾乎無所不能，而 FPGA 與之相比只強(qiáng)不弱。因?yàn)橹灰獑纹瑱C(jī)能實(shí)現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA 就一定能實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然這需要加一個(gè)大前提——在 FPGA 資源足夠多的情況下。但是 FPGA 能實(shí)現(xiàn)的功能，單片機(jī)卻不一定能夠輕松實(shí)現(xiàn)，這是不爭(zhēng)的事實(shí)，如果你不相信，那只能說明你還不了解 FPGA。

說到這里，讀者不禁要問，既然 FPGA 這么厲害，為什么單片機(jī)的使用范圍更廣？那是因?yàn)樵谏虡I(yè)中，價(jià)格往往是影響產(chǎn)品的重要因素之一。

單片機(jī)的價(jià)格要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 FPGA，而且根據(jù)性能和資源的不同，F(xiàn)PGA 的價(jià)格也存在很大差異，單枚 FPGA 芯片的價(jià)格從幾十元到幾十萬元不等。與之相比，單片機(jī)的價(jià)格要便宜很多，同樣的功能我們?nèi)绻梢杂脙r(jià)格低廉的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，就不會(huì)選擇相對(duì)昂貴的 FPGA 了，除非單片機(jī)滿足不了功能需求。所以公司自己進(jìn)行開發(fā)時(shí)，為了節(jié)約成本，可能會(huì)選擇更加便宜的單片機(jī)，而不會(huì)選擇相對(duì)昂貴的 FPGA，因?yàn)閱纹瑱C(jī)、ARM 這種微處理器的需求量很大，所以價(jià)格上更有優(yōu)勢(shì)。

但無論是單片機(jī)、ARM 還是 FPGA，它們都只是一種幫助我們實(shí)現(xiàn)功能的工具，具體如何選擇，需要根據(jù)具體問題具體分析?？傊?，沒有萬能的工具，只有符合生產(chǎn)需求的工具。我們不應(yīng)對(duì)某種工具存在偏見，要綜合考慮。同樣，當(dāng)你了解得更多的時(shí)候，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這些工具都需要掌握。

FPGA 的應(yīng)用場(chǎng)景遠(yuǎn)沒有單片機(jī)和 ARM 這么多，主要針對(duì)單片機(jī)和 ARM 無法解決的問題。比如要求靈活高效、高吞吐量、低批量延時(shí)、快速并行運(yùn)算、可重構(gòu)、可重復(fù)編程、可實(shí)現(xiàn)定制性能和定制功耗的情況，這些工作只能由FPGA承擔(dān)。

而相對(duì)于出于專門目的而設(shè)計(jì)的集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC），F(xiàn)PGA 具有 3 點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：

1) 靈活性

通過對(duì) FPGA 編程，F(xiàn)PGA 可以執(zhí)行 ASIC 能夠執(zhí)行的任何邏輯功能。FPGA 的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)在于其靈活性，即隨時(shí)可以改變芯片功能，在技術(shù)還未成熟的階段，這種特性能夠降低產(chǎn)品的成本與風(fēng)險(xiǎn)，在 5G 技術(shù)普及初期，這種特性尤為重要。

2) 上市時(shí)間縮短

對(duì) FPGA 編程后即可直接使用，F(xiàn)PGA 方案無須經(jīng)歷三個(gè)月至一年的芯片流片周期，為企業(yè)爭(zhēng)取了產(chǎn)品上市時(shí)間。

3) 有一定成本優(yōu)勢(shì)

FPGA 與 ASIC 的主要區(qū)別在于 ASIC 方案有固定成本而 FPGA 方案幾乎沒有，在使用量小的時(shí)候，采用 FPGA 方案無須一次性支付幾百萬美元的流片成本，同時(shí)也不用承擔(dān)流片失敗的風(fēng)險(xiǎn)，此時(shí) FPGA 方案的成本低于 ASIC 的，隨著使用量增加，F(xiàn)PGA 方案在成本上的優(yōu)勢(shì)逐漸減少，超過某一使用量后，由于大量流片產(chǎn)生了規(guī)模經(jīng)濟(jì)，因此 ASIC 方案在成本上更有優(yōu)勢(shì)，如下圖所示：

圖 9 FPGA方案和ASIC方案的成本比較

因此，F(xiàn)PGA 通常在數(shù)字信號(hào)處理、視頻處理、圖像處理、5G 通信領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、工業(yè)控制、云服務(wù)、加速計(jì)算、人工智能、數(shù)據(jù)中心、自動(dòng)駕駛、芯片驗(yàn)證等領(lǐng)域發(fā)揮著不可替代的作用。只有掌握了通用的 FPGA 設(shè)計(jì)方法，才能在 FPGA 獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷的領(lǐng)域中大展宏圖。

FPGA的應(yīng)用方向

FPGA 介于軟件和硬件之間，用它做接口、做通信，它就偏向硬件；用它做算法、做控制，它就偏向軟件。隨著人工智能、機(jī)器視覺的崛起，F(xiàn)PGA 更加偏向軟件算法的異構(gòu)，有和 GPU 一爭(zhēng)高下的潛力。

FPGA 與 GPU 性能對(duì)比圖如圖 10 所示：

圖 10 FPGA與GPU的性能對(duì)比圖

FPGA 軟件方向：以軟件開發(fā)為主，開發(fā) FPGA 在數(shù)據(jù)分析、人工智能、機(jī)器視覺等領(lǐng)域的加速應(yīng)用能力，主要采用 OpenCL 和 HLS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)軟硬件協(xié)同開發(fā)。

FPGA 硬件方向：以邏輯設(shè)計(jì)為主，針對(duì)FPGA特定領(lǐng)域的應(yīng)用設(shè)計(jì)、集成電路設(shè)計(jì)以及芯片驗(yàn)證能力。

FPGA 最初的應(yīng)用領(lǐng)域是通信領(lǐng)域，但是隨著信息產(chǎn)業(yè)和微電子技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)PGA 技術(shù)已經(jīng)成為信息產(chǎn)業(yè)最熱門的技術(shù)之一，應(yīng)用范圍擴(kuò)大，遍及航空航天、汽車、醫(yī)療、廣播、測(cè)試測(cè)量、消費(fèi)電子、工業(yè)控制等熱門領(lǐng)域，而且隨著工藝的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，從各個(gè)角度開始滲透到生活當(dāng)中。

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