FPGA開發(fā)攻略為什么要掌握FPGA開發(fā)知識？FPGA詳細(xì)資料免費下載

　　2008 年年初，某著名嵌入式系統(tǒng) IT 公司為了幫助其產(chǎn)品售后工程師和在線技術(shù)支持工程師更好的理解其產(chǎn)品，舉行了 ASIC/FPGA 基礎(chǔ)專場培訓(xùn)．由于后者因為保密制度而只能接觸到板級電路圖和 LAYOUT，同時因 ASIC/FPGA 都是典型的 SoC 應(yīng)用，通常只是將 ASIC/FPGA 當(dāng)作黑盒來理解，其猜測性讀圖造成公司與外部及公司內(nèi)部大量的無效溝通．培訓(xùn)結(jié)束后 ， 參與者紛紛表示 ASIC/FPGA 的白盒式剖析極大提高了對產(chǎn)品的理解，有效解決了合作伙伴和客戶端理解偏異性問題，參加培訓(xùn)的工程師小 L 表示 ：“FPGA 同時擁有強(qiáng)大的處理功能和完全的設(shè)計自由度，以致于它的行業(yè)對手 ASIC 的設(shè)計者在做 wafer fabrication 之前 ， 也大量使用 FPGA 來做整個系統(tǒng)的板級仿真，學(xué)習(xí) FPGA 開發(fā)知識不但提升了我們的服務(wù)質(zhì)量從個人角度講也提升了自己的價值?！?/p>

　　實際上，小 L 只是中國數(shù)十萬 FPGA 開發(fā)工程師中一個縮影，目前，隨著 FPGA 從可編程邏輯芯片升級為可編程系統(tǒng)級芯片，其在電路中的角色已經(jīng)從最初的邏輯膠合延伸到數(shù)字信號處理、接口、高密度運(yùn)算等更廣闊的范圍，應(yīng)用領(lǐng)域也從通信延伸到消費電子、汽車電子、工業(yè)控制、醫(yī)療電子等更多領(lǐng)域，現(xiàn)在，大批其他領(lǐng)域的工程師也像小 L 一樣加入到 FPGA 學(xué)習(xí)應(yīng)用大軍中。未來，隨著 FPGA 把更多的硬核如 PowerPC? 處理器等集成進(jìn)來，以及采用新的工藝將存儲單元集成，F(xiàn)PGA 越來越成為一種融合處理、存儲、接口于一體的超級芯片，“FPGA 會成為一種板級芯片，未來的電子產(chǎn)品可以通過配置 FPGA 來實現(xiàn)功能的升級，實際上，某些通信設(shè)備廠商已經(jīng)在嘗試這樣做了?！?a target='_blank' class='arckwlink_none'>賽靈思公司全球資深副總裁湯立人這樣指出?？梢韵胂?，未來，F(xiàn)PGA 開發(fā)能力對工程師而言將成為類似 C 語言的基礎(chǔ)能力之一，面對這樣的發(fā)展趨勢，你還能簡單地將 FPGA 當(dāng)成一種邏輯器件嗎？還能對 FPGA 的發(fā)展無動于衷嗎？

　　FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在 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。它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。它是當(dāng)今數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的主要硬件平臺，其主要特點就是完全由用戶通過軟件進(jìn)行配置和編程，從而完成某種特定的功能，且可以反復(fù)擦寫。在修改和升級時，不需額外地改變 PCB 電路板，只是在計算機(jī)上修改和更新程序，使硬件設(shè)計工作成為軟件開發(fā)工作，縮短了系統(tǒng)設(shè)計的周期，提高了實現(xiàn)的靈活性并降低了成本，因此獲得了廣大硬件工程師的青睞。

　　對 PROM、EPROM、E2PROM 熟悉的人都知道這些可編程器件的可編程原理是通過加高壓或紫外線導(dǎo)致三極管或 MOS 管內(nèi)部的載流子密度發(fā)生變化，實現(xiàn)所謂的可編程，但是這些器件或只能實現(xiàn)單次可編程或編程狀態(tài)難以穩(wěn)定。FPGA 則不同，它采用了邏輯單元陣列 LCA（Logic Cell Array） 這樣一個新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊 CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊 IOB（Input Output Block） 和內(nèi)部連線 （Interconnect） 三個部分。

　　FPGA 的可編程實際上是改變了 CLB 和 IOB 的觸發(fā)器狀態(tài)，這樣，可以實現(xiàn)多次重復(fù)的編程由于 FPGA 需要被反復(fù)燒寫，它實現(xiàn)組合邏輯的基本結(jié)構(gòu)不可能像 ASIC 那樣通過固定的與非門來完成，而只能采用一種易于反復(fù)配置的結(jié)構(gòu)。查找表可以很好地滿足這一要求，目前主流 FPGA 都采用了基于 SRAM 工藝的查找表結(jié)構(gòu)，也有一些軍品和宇航級 FPGA 采用 Flash 或者熔絲與反熔絲工藝的查找表結(jié)構(gòu)。通過燒寫文件改變查找表內(nèi)容的方法來實現(xiàn)對 FPGA 的重復(fù)配置。

　　根據(jù)數(shù)字電路的基本知識可以知道，對于一個 n 輸入的邏輯運(yùn)算，不管是與或非運(yùn)算還是異或運(yùn)算等等，最多只可能存在 2n 種結(jié)果。所以如果事先將相應(yīng)的結(jié)果存放于一個存貯單元，就相當(dāng)于實現(xiàn)了與非門電路的功能。FPGA 的原理也是如此，它通過燒寫文件去配置查找表的內(nèi)容，從而在相同的電路情況下實現(xiàn)了不同的邏輯功能。

　　查找表 （Look-Up-Table） 簡稱為 LUT，LUT 本質(zhì)上就是一個 RAM。目前 FPGA 中多使用 4 輸入的 LUT，所以每一個 LUT 可以看成一個有 4 位地址線的 的 RAM。 當(dāng)用戶通過原理圖或 HDL 語言描述了一個邏輯電路以后，PLD/FPGA 開發(fā)軟件會自動計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，這樣，每輸入一個信號進(jìn)行邏輯運(yùn)算就等于輸入一個地址進(jìn)行查表，找出地址對應(yīng)的內(nèi)容，然后輸出即可。

　　從表中可以看到，LUT 具有和邏輯電路相同的功能。實際上，LUT 具有更快的執(zhí)行速度和更大的規(guī)模。

　　由于基于 LUT 的 FPGA 具有很高的集成度，其器件密度從數(shù)萬門到數(shù)千萬門不等，可以完成極其復(fù)雜的時序與邏輯組合邏輯電路功能，所以適用于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設(shè)計領(lǐng)域。其組成部分主要有可編程輸入 / 輸出單元、基本可編程邏輯單元、內(nèi)嵌 SRAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元、內(nèi)嵌專用單元等，主要設(shè)計和生產(chǎn)廠家有賽靈思、Altera、Lattice、Actel、Atmel 和 QuickLogic 等公司，其中最大的是美國賽靈思公司，占有可編程市場 50% 以上的市場份額，比其他所有競爭對手市場份額的總和還多。

　　FPGA 是由存放在片內(nèi) RAM 中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時需要對片內(nèi)的 RAM 進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。

　　加電時，F(xiàn)PGA 芯片將 EPROM 中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程 RAM 中，配置完成后，F(xiàn)PGA 進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后， FPGA 恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA 能夠反復(fù)使用。FPGA 的編程無須專用的 FPGA 編程器，只須用通用的 EPROM、PROM 編程器即可。這樣，同一片 FPGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA 的使用非常靈活。