FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程邏輯器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路(ASIC)領域中的一種半定制電路而出現的，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有限的缺點。

1.背景

目前以硬件描述語言(Verilog 或VHDL)所完成的電路設計，可以經過簡單的綜合與布局，快速的燒錄至FPGA上進行測試，是現代IC設計驗證的技術主流。這些可編輯元件可以被用來實現一些基本的邏輯門電路(比如AND、OR、XOR、NOT)或者更復雜一些的組合功能比如解碼器或數學方程式。在大多數的FPGA里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發器(Flip-flop)或者其他更加完整的記憶塊。

系統設計師可以根據需要通過可編輯的連接把FPGA內部的邏輯塊連接起來，就好像一個電路試驗板被放在了一個芯片里。一個出廠后的成品FPGA的邏輯塊和連接可以按照設計者而改變，所以FPGA可以完成所需要的邏輯功能。

FPGA一般來說比ASIC(專用集成芯片)的速度要慢，無法完成復雜的設計，而且消耗更多的電能。但是他們也有很多的優點比如可以快速成品，可以被修改來改正程序中的錯誤和更便宜的造價。廠商也可能會提供便宜的但是編輯能力差的FPGA。因為這些芯片有比較差的可編輯能力，所以這些設計的開發是在普通的FPGA上完成的，然后將設計轉移到一個類似于ASIC的芯片上。另外一種方法是用CPLD(復雜可編程邏輯器件備)。

FPGA

2.工作原理

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA(Logic Cell Array)這樣一個概念，內部包括可配置邏輯模塊CLB(Configurable Logic Block)、輸出輸入模塊IOB(Input Output Block)和內部連線(Interconnect)三個部分。 現場可編程門陣列(FPGA)是可編程器件。與傳統邏輯電路和門陣列(如PAL，GAL及CPLD器件)相比，FPGA具有不同的結構，FPGA利用小型查找表(16×1RAM)來實現組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發器的輸入端，觸發器再來驅動其他邏輯電路或驅動I/O，由此構成了即可實現組合邏輯功能又可實現時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過向內部靜態存儲單元加載編程數據來實現的，存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯接方式，并最終決定了FPGA所能實現的功能， FPGA允許無限次的編程。

邏輯單元陣列

3.優缺點

3.1優點

FPGA的優點如下：

(1) FPGA可通過使用框圖或者Verilog HDL來設計，從簡單的門電路到FIR或者FFT電路。

(2) FPGA可無限地重新編程，加載一個新的設計方案只需幾百毫秒，利用重配置可以減少硬件的開銷。

(3) FPGA由邏輯單元、RAM、乘法器等硬件資源組成，通過將這些硬件資源合理組織，可實現乘法器、寄存器、地址發生器等硬件電路。

(4) FPGA的工作頻率由FPGA芯片以及設計決定，可以通過修改設計或者更換更快的芯片來達到某些苛刻的要求(當然，工作頻率也不是無限制的可以提高，而是受當前的IC工藝等因素制約)。

3.2缺點

FPGA的缺點如下：

(1) FPGA的所有功能均依靠硬件實現，無法實現分支條件跳轉等操作。

(2) FPGA只能實現定點運算。

4.應用

4.1電路設計

連接邏輯，控制邏輯是FPGA早期發揮作用比較大的領域也是FPGA應用的基石.事實上在電路設計中應用FPGA的難度還是比較大的這要求開發者要具備相應的硬件知識(電路知識)和軟件應用能力(開發工具)這方面的人才總是緊缺的，往往都從事新技術，新產品的開發成功的產品將變成市場主流基礎產品供產品設計者應用在不遠的將來，通用和專用IP的設計將成為一個熱門行業!搞電路設計的前提是必須要具備一定的硬件知識.在這個層面，干重于學，當然，快速入門是很重要的，越好的位子越不等人電路開發是黃金飯碗。

FPGA芯片

4.2產品設計

把相對成熟的技術應用到某些特定領域如通訊，視頻，信息處理等等開發出滿足行業需要并能被行業客戶接受的產品這方面主要是FPGA技術和專業技術的結合問題，另外還有就是與專業客戶的界面問題產品設計還包括專業工具類產品及民用產品，前者重點在性能，后者對價格敏感產品設計以實現產品功能為主要目的，FPGA技術是一個實現手段在這個領域，FPGA因為具備接口，控制，功能IP，內嵌CPU等特點有條件實現一個構造簡單，固化程度高，功能全面的系統產品設計將是FPGA技術應用最廣大的市場，具有極大的爆發性的需求空間產品設計對技術人員的要求比較高，路途也比較漫長不過現在整個行業正處在組建“首發團隊”的狀態，只要加入，前途光明產品設計是一種職業發展方向定位，不是簡單的愛好就能做到的!產品設計領域會造就大量的企業和企業家，是一個發展熱點和機遇。

4.3系統級

系統級的應用是FPGA與傳統的計算機技術結合，實現一種FPGA版的計算機系統如用Xilinx　V-4，V-5系列的FPGA，實現內嵌POWER　PC　CPU，然后再配合各種外圍功能，實現一個基本環境，在這個平臺上跑LINUX等系統，這個系統也就支持各種標準外設和功能接口(如圖象接口)了這對于快速構成FPGA大型系統來講是很有幫助的。這種“山寨”味很濃的系統早期優勢不一定很明顯，類似ARM系統的境況但若能慢慢發揮出FPGA的優勢，逐漸實現一些特色系統也是一種發展方向。若在系統級應用中，開發人員不具備系統的擴充開發能力，只是搞搞編程是沒什么意義的，當然設備驅動程序的開發是另一種情況，搞系統級應用看似起點高，但不具備深層開發能力，很可能會變成愛好者，就如很多人會做網頁但不能稱做會編程。類似以上是幾點個人觀點，希望能幫助想學FPGA但很茫然無措的人理一理思路。這是一個不錯的行業，有很好的個人成功機會。但也肯定是一個競爭很激烈的行業，關鍵看的就是速度和深度當然還有市場適應能力。

本文總結了FPGA的背景、工作原理、優缺點以及應用。總而言之，FPGA是依靠硬件來實現所有的功能，速度上可以和專用芯片相比，但設計的靈活度與通用處理器相比有很大的差距。
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