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1、本章主要介紹了FPGA的概念、基本結(jié)構(gòu)，以及FPGA芯片的架構(gòu)和工作原理（數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及配置方式）。

2、這是ALTERA和VIVADO文檔

第一章?FPGA簡(jiǎn)介

1?什么是FPGA

FPGA的官方解釋是?:?Field-Programmable Gate Array，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD（不用讀系列）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(diǎn)。

可以將FPGA理解為大量的邏輯門陣列，用戶可以自由組合以實(shí)現(xiàn)不同的電路功能，即FPGA的可編程特性。相比于馮諾依曼結(jié)構(gòu)的CPU、GPU等通用處理器，F(xiàn)PGA具有效率更高速度更快的優(yōu)點(diǎn)；相比于專職專用的ASIC，F(xiàn)PGA則具有開發(fā)難度小，開發(fā)周期更短的優(yōu)勢(shì)，更適用于復(fù)雜多變的數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用

但是FPGA也不是萬(wàn)能的，優(yōu)勢(shì)有時(shí)候也是劣勢(shì)。雖然FPGA相比于CPU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CPU；雖然相比ASIC開發(fā)周期更短，但是也存在著資源浪費(fèi)，成本過(guò)高、性能較差的問題，不能真正的替代ASIC。

2 FPGA的工作原理

由于FPGA要反復(fù)燒寫，所以他實(shí)現(xiàn)組合邏輯的結(jié)構(gòu)不能像ASIC那樣通過(guò)固定的與非門來(lái)完成，而只能采用一種抑郁反復(fù)配置的結(jié)構(gòu)。查找表(LUT)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)。通過(guò)燒寫文件改變查找表內(nèi)容的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA的重復(fù)配置。

根據(jù)數(shù)字電路的基本知識(shí)可以知道，對(duì)于一個(gè)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)果存放在一個(gè)存儲(chǔ)單元，就相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了與非門電路的功能。FPGA的原理就是如此，他通過(guò)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(shí)現(xiàn)了不同的邏輯功能。

查找表（Look-Up-Table）簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)UT，LUT本質(zhì)上就是一個(gè)RAM。目前FPGA中多實(shí)用4輸入的LUT，所以每一個(gè)LUT可以看成一個(gè)有4位地址線的RAM。當(dāng)用戶通過(guò)原理圖或HDL語(yǔ)言描述了一個(gè)邏輯電路以后，F(xiàn)PGA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，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，找出相應(yīng)的內(nèi)容，然后輸出即可。

以實(shí)現(xiàn)y=(a&b)|c的功能為例。如果是ASIC，下面就是基本的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)：

圖?1

而在FPGA，用戶首先寫出“y=(a&b)|c”代碼，軟件工具（QUARTUS、ISE或VIVADO）分析這一行代碼，得出a、b、c不同值下（共8種不同值），y的值分別是多少。

然后軟件工具將結(jié)果寫到LUT上，從而實(shí)現(xiàn)了該代碼的功能。下圖就是FPGA的實(shí)現(xiàn)基本結(jié)構(gòu)。LUT就像一個(gè)RAM，abc則相當(dāng)于地址，通過(guò)abc的地址就得讀到值賦給y。

圖?2

3?更為復(fù)雜的FPGA架構(gòu)

賽靈思公司在1985年推出的第一塊FPGA—XC2064包含8×8=64的邏輯塊陣列，每個(gè)邏輯塊包含一個(gè)四輸入查找表及其它一些簡(jiǎn)單功能。由于它們的容量非常有限，因此早期的FPGA只用來(lái)執(zhí)行一些相對(duì)簡(jiǎn)單的任務(wù)，比如集中一些膠合邏輯，或?qū)崿F(xiàn)基本的狀態(tài)機(jī)。

隨著時(shí)間的推移和工藝節(jié)點(diǎn)的進(jìn)步，F(xiàn)PGA的容量和性能不斷得到提高，功耗卻不斷的下降。直到大約2006年以前廣泛使用的一直是四輸入查找表，一些高端器件可能使用六、七或八輸入的查找表。這些大家伙可能被用作一個(gè)大的查找表，或分裂成許多更小的功能，比如兩個(gè)四輸入的查找表或一個(gè)三輸入一個(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(wàn)級(jí)（有時(shí)甚至千萬(wàn)級(jí)）的原始邏輯門。

如果某個(gè)邏輯功能（比方說(shuō)計(jì)數(shù)器）是用FPGA的可編程構(gòu)造實(shí)現(xiàn)的，那么這個(gè)功能可以被說(shuō)成“軟功能”，我們稱之為軟內(nèi)核。相比之下，如果某個(gè)功能是直接用芯片實(shí)現(xiàn)的，則被說(shuō)成“硬功能”，我們一般稱之為硬內(nèi)核。軟內(nèi)核的優(yōu)勢(shì)在于，你可以讓它們做你想讓它們做的任何事，注意，是數(shù)字功能，不包括模擬功能。硬內(nèi)核的優(yōu)勢(shì)是它們占用較少的硅片面積，具有較高的性能，并且功耗較低，并且硬內(nèi)核可用于實(shí)現(xiàn)模擬功能。例如鎖相環(huán)的倍頻功能，這需要用于模擬電路，所以這一部分是在FPGA內(nèi)部用硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

4?帶嵌入式處理器的FPGA

我們可以用FPGA中的普通可編程構(gòu)造做的事情之一是，使用其中的一部分實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)軟處理器內(nèi)核。當(dāng)然，你可以實(shí)現(xiàn)不同規(guī)模的處理器。舉例來(lái)說(shuō)，你可以創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)8位的處理器，加上一個(gè)或多個(gè)16位或32位的軟處理器—所有處理器都在同一器件中。

如果FPGA供應(yīng)商希望提供一個(gè)占用較少硅片面積、消耗較低功率但性能更高的處理器，解決方案是將它實(shí)現(xiàn)為硬內(nèi)核。現(xiàn)在流行的ZYNQ，就是由賽靈思公司推出的，內(nèi)部集成了ARM硬核的FPGA芯片。考慮下面所示這個(gè)例子：

圖?3

圖4：一種新的SoC FPGA

這個(gè)芯片完全以硬內(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)。

如果需要高速、高性能的處理器，并且需要實(shí)現(xiàn)邏輯編程時(shí)，傳統(tǒng)的方法是在電路板上放置處理器(如ARM、DSP等)和FPGA，ARM或者DSP工程師實(shí)現(xiàn)軟件部分，F(xiàn)PGA工程師實(shí)現(xiàn)可編程邏輯部分，兩者協(xié)同合作。現(xiàn)在最新的方案，就可以使用ZYNQ一個(gè)芯片，以更低的功耗、更高的速度實(shí)現(xiàn)上面的功能。

如果是ZYNQ單芯片方案，是不是意味著只需要軟件工程師或者FPGA工程師獨(dú)立工作就可以了呢？筆者現(xiàn)時(shí)所了解的情況是：FPGA工程師負(fù)責(zé)搭建周邊電路，如ARM的接口、時(shí)鐘配置等，還負(fù)責(zé)可編程邏輯部分的開發(fā)。而軟件部分仍然還是軟件工程師負(fù)責(zé)。這主要原因是，F(xiàn)PGA邏輯開發(fā)和軟件開發(fā)都是專業(yè)性比較強(qiáng)的技能，非常少的工程師能同時(shí)掌握這兩個(gè)技能。當(dāng)然，這里說(shuō)的掌握性能，是專業(yè)性的、能應(yīng)用到企業(yè)項(xiàng)目的技能，只是接觸一下的不算。

5?編程方式

FPGA是由存放在片內(nèi)的RAM來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此工作室需要對(duì)片內(nèi)RAM進(jìn)行編程。用戶可根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。FPGA有如下幾種配置模式：

1、并行模式：并行PROM、Flash配置FPGA；

2、主從模式：一片PROM配置多片F(xiàn)PGA；

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，F(xiàn)PGA市場(chǎng)占有率最高的兩大公司Xlinx和Altera生產(chǎn)的FPGA都是基于SRAM工藝的，需要在使用時(shí)外接一個(gè)片外存儲(chǔ)器以保存程序。上電時(shí)，F(xiàn)PGA將外部存儲(chǔ)其中的數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)RAM，完成配置后，進(jìn)入工作狀態(tài)；掉電后FPGA恢復(fù)為白片，內(nèi)部邏輯消失。這樣FPGA不僅能反復(fù)使用，還無(wú)需專門的FPGA編程器，只需通用的EPROM、PROM編程器即可。