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九月 24 2019

FPGA是什么?


目录

1.背景
2.工作原理

3.优缺点

3.1优点

3.2缺点

4.应用

4.1电路设计

4.2产品设计

4.3系统级

  FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程逻辑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而出现的,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.背景

  目前以硬件描述语言(Verilog 或VHDL)所完成的电路设计,可以经过简单的综合与布局,快速的烧录至FPGA上进行测试,是现代IC设计验证的技术主流。这些可编辑元件可以被用来实现一些基本的逻辑门电路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更复杂一些的组合功能比如解码器或数学方程式。在大多数的FPGA里面,这些可编辑的元件里也包含记忆元件例如触发器(Flip-flop)或者其他更加完整的记忆块。

  系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来,就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变,所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。

  FPGA一般来说比ASIC(专用集成芯片)的速度要慢,无法完成复杂的设计,而且消耗更多的电能。但是他们也有很多的优点比如可以快速成品,可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA。因为这些芯片有比较差的可编辑能力,所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的,然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。另外一种方法是用CPLD(复杂可编程逻辑器件备)。

FPGA

FPGA

  2.工作原理

  FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个概念,内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输出输入模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。 现场可编程门阵列(FPGA)是可编程器件。与传统逻辑电路和门阵列(如PAL,GAL及CPLD器件)相比,FPGA具有不同的结构,FPGA利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑,每个查找表连接到一个D触发器的输入端,触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O,由此构成了即可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块,这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的,存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式,并最终决定了FPGA所能实现的功能, FPGA允许无限次的编程。

逻辑单元阵列

逻辑单元阵列

  3.优缺点

  3.1优点

  FPGA的优点如下:

  (1) FPGA可通过使用框图或者Verilog HDL来设计,从简单的门电路到FIR或者FFT电路。

  (2) FPGA可无限地重新编程,加载一个新的设计方案只需几百毫秒,利用重配置可以减少硬件的开销。

  (3) FPGA由逻辑单元、RAM、乘法器等硬件资源组成,通过将这些硬件资源合理组织,可实现乘法器、寄存器、地址发生器等硬件电路。

  (4) FPGA的工作频率由FPGA芯片以及设计决定,可以通过修改设计或者更换更快的芯片来达到某些苛刻的要求(当然,工作频率也不是无限制的可以提高,而是受当前的IC工艺等因素制约)。

  3.2缺点

  FPGA的缺点如下:

  (1) FPGA的所有功能均依靠硬件实现,无法实现分支条件跳转等操作。

  (2) FPGA只能实现定点运算。

  4.应用

  4.1电路设计

  连接逻辑,控制逻辑是FPGA早期发挥作用比较大的领域也是FPGA应用的基石.事实上在电路设计中应用FPGA的难度还是比较大的这要求开发者要具备相应的硬件知识(电路知识)和软件应用能力(开发工具)这方面的人才总是紧缺的,往往都从事新技术,新产品的开发成功的产品将变成市场主流基础产品供产品设计者应用在不远的将来,通用和专用IP的设计将成为一个热门行业!搞电路设计的前提是必须要具备一定的硬件知识.在这个层面,干重于学,当然,快速入门是很重要的,越好的位子越不等人电路开发是黄金饭碗。

FPGA芯片

FPGA芯片

  4.2产品设计

  把相对成熟的技术应用到某些特定领域如通讯,视频,信息处理等等开发出满足行业需要并能被行业客户接受的产品这方面主要是FPGA技术和专业技术的结合问题,另外还有就是与专业客户的界面问题产品设计还包括专业工具类产品及民用产品,前者重点在性能,后者对价格敏感产品设计以实现产品功能为主要目的,FPGA技术是一个实现手段在这个领域,FPGA因为具备接口,控制,功能IP,内嵌CPU等特点有条件实现一个构造简单,固化程度高,功能全面的系统产品设计将是FPGA技术应用最广大的市场,具有极大的爆发性的需求空间产品设计对技术人员的要求比较高,路途也比较漫长不过现在整个行业正处在组建“首发团队”的状态,只要加入,前途光明产品设计是一种职业发展方向定位,不是简单的爱好就能做到的!产品设计领域会造就大量的企业和企业家,是一个发展热点和机遇。

  4.3系统级

  系统级的应用是FPGA与传统的计算机技术结合,实现一种FPGA版的计算机系统如用Xilinx V-4,V-5系列的FPGA,实现内嵌POWER PC CPU,然后再配合各种外围功能,实现一个基本环境,在这个平台上跑LINUX等系统,这个系统也就支持各种标准外设和功能接口(如图象接口)了这对于快速构成FPGA大型系统来讲是很有帮助的。这种“山寨”味很浓的系统早期优势不一定很明显,类似ARM系统的境况但若能慢慢发挥出FPGA的优势,逐渐实现一些特色系统也是一种发展方向。若在系统级应用中,开发人员不具备系统的扩充开发能力,只是搞搞编程是没什么意义的,当然设备驱动程序的开发是另一种情况,搞系统级应用看似起点高,但不具备深层开发能力,很可能会变成爱好者,就如很多人会做网页但不能称做会编程。类似以上是几点个人观点,希望能帮助想学FPGA但很茫然无措的人理一理思路。这是一个不错的行业,有很好的个人成功机会。但也肯定是一个竞争很激烈的行业,关键看的就是速度和深度当然还有市场适应能力。

  本文总结了FPGA的背景、工作原理、优缺点以及应用。总而言之,FPGA是依靠硬件来实现所有的功能,速度上可以和专用芯片相比,但设计的灵活度与通用处理器相比有很大的差距。

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