FPGA基础知识简介

FPGA （Field Programmable Gate Array）即现场可编程门阵列。它是在PLA、PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

1、 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。

2、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。

图1 FPGA发展史

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。

图2 

FPGA在数据中心服务器市场的实际应用中存在一定技术难点，具体包括如下几方面：

1、编程门槛较高：硬件描述语言不同于软件开发语言，需要开发者对底层硬件有着较深刻的认识；因此人才也就成为限制FPGA应用的一个重要因素。据了解，目前国内从事FPGA开发的人员初步估计大约两万多人。

2、集成难度较大：FPGA开发与应用需要软硬件的协同，包括使用高级语言的系统建模、硬件代码（电路）设计、硬件代码仿真、底层驱动软件与硬件逻辑的联调等等。

3、开发周期相对软件要长：硬件开发比软件开发过程复杂，调试周期也被拉长。

4、很难获取独立逻辑IP。

5、FPGA整体结构

FPGA架构主要包括可配置逻辑块CLB（Configurable Logic Block）、输入输出块IOB（Input Output Block）、内部连线（Interconnect）和其它内嵌单元四个部分。

CLB是FPGA的基本逻辑单元。实际数量和特性会依器件的不同而改变，但是每个CLB都包含一个由4或6个输入、若干选择电路（多路复用器等）和触发器组成的可配置开关矩阵。开关矩阵具有高度的灵活性，经配置可以处理组合型逻辑、移位寄存器或 RAM。

FPGA可支持许多种I／O标准，因而可以为系统设计提供理想的接口桥接。FPGA 内的I／O按bank分组，每个bank能独立支持不同的I／O标准。目前最先进的FPGA提供了十多个I／O bank，能够提供灵活的I／O支持。

CLB 提供了逻辑性能，灵活的互连布线则负责在CLB和I／O之间传递信号。布线有几种类型，从设计用于专门实现 CLB 互连（短线资源）、到器件内的高速水平和垂直长线（长线资源）、再到时钟与其它全局信号的全局低skew布线（全局性专用布线资源）。一般，各厂家设计软件会将互连布线任务隐藏起来，用户根本看不到，从而大幅降低了设计复杂性。

内嵌硬核单元包括RAM、DSP、DCM（数字时钟管理模块）及其它特定接口硬核等，FPGA器件内部结构如下示意图。

图5 FPGA器件内部结构图

一般来说，器件型号数字越大，表示器件能提供的逻辑资源规模越大。在FPGA器件选型时，用户需要对照此表格，根据业务对逻辑资源（CLB）、内部BlockRAM、接口（高速Serdes对数）、数字信号处理（DSP硬核数）以及今后扩展等多方面的需求，综合考虑项目最合适的逻辑器件。

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