FPGA基礎知識簡介

FPGA基礎知識簡介

FPGA技術的發展歷史
縱觀數字集成電路的發展歷史，經歷了從電子管、晶體管、小規模集成電路到大規模以及超大規模集成電路等不同的階段。發展到現在，主要有3類電子器件：存儲器、處理器和邏輯器件。
存儲器保存隨機信息（電子數據表或數據庫的內容）；處理器執行軟件指令，以便完成各種任務（運行數據處理程序或視頻游戲）；而邏輯器件可以提供特殊功能（器件之間的通信和系統必須執行的其他所有功能）。

邏輯器件分成兩類：
① 固定的或定制的。
② 可編程的或可變的。

其中，固定的或定制的邏輯器件通常稱為專用芯片（ASIC）。ASIC是為了滿足特定的用途而設計的芯片，例如MP3解碼芯片等。其優點是通過固化的邏輯功能和大規模的工業化生產，降低了芯片的成本，同時提高了產品的可靠性。隨著集成度的提高，ASIC的物理尺寸也在不斷的縮小。
但是，ASIC設計的周期很長，而且投資大，風險高。一旦設計結束后，功能就固化了，以后的升級改版困難比較大。電子產品的市場正在逐漸細分，為了滿足快速產品開發，產生了現場可編程邏輯器件（FPGA）。
自1984年Xilinx公司推出了第一片現場可編程邏輯器件（FPGA）至今，FPGA已經歷了20幾年的快速發展歷程。特別是近幾年來，更是發展迅速。FPGA的邏輯規模已經從最初的1000個可用門發展到現在的1000萬個可用門。
FPGA技術之所以具有巨大的市場吸引力，其根本原因在于：FPGA不僅可以解決電子系統小型化、低功耗、高可靠性等問題，而且其開發周期短、投入少，芯片價格不斷下降。FPGA正在越來越多地取代傳統上ASIC，特別是在小批量、個性化的產品市場方面。

FPGA技術的發展動向
隨著芯片設計工藝水平的不斷提高，FPGA技術呈現出了以下4個主要的發展動向。

1．基于FPGA的嵌入式系統（SoPC）技術正在成熟
System on Chip（SoC）技術在芯片設計領域被越來越廣泛地采用，而SoPC技術是SoC技術在可編程器件領域的應用。這種技術的核心是在FPGA芯片內部構建處理器。Xilinx公司主要提供基于Power PC的硬核解決方案，而Altera提供的是基于NIOSII的軟核解決方案。
Altera公司為NIOSII軟核處理器提供了完整的軟硬件解決方案，可以讓客戶短時間完成SoPC系統的構建和調試工作。

2．FPGA芯片向高性能、高密度、低壓和低功耗的方向發展
隨著芯片生產工藝不斷提高，FPGA芯片的性能和密度都在不斷提高。早期的FPGA主要是完成接口邏輯設計，比如AD/DA和DSP的粘合邏輯?，F在的FPGA正在成為電路的核心部件，完成關鍵功能。
在高性能計算和高吞吐量I/O應用方面，FPGA已經取代了專用的DSP芯片，成為最佳的實現方案。因此，高性能和高密度也成為衡量FPGA芯片廠家設計能力的重要指標。
隨著FPGA性能和密度的提高，功耗也逐漸成為了FPGA應用的瓶頸。雖然FPGA比DSP等處理器的功耗低，但是要明顯高于專用芯片（ASIC）的功耗。FPGA的廠家也在采用各種新工藝和技術來降低FPGA的功耗，并且已經取得了明顯的效果。
例如，Altera公司的StratixIII系列FPGA的功耗比上一代產品StratixII系列降低了50%以上。

3．基于IP庫的設計方法
未來的FPGA芯片密度不斷提高，傳統的基于HDL的代碼設計方法很難滿足超大規模FPGA的設計需要。隨著專業的IP庫設計公司不斷增多，商業化的IP庫種類會越來越全面，支持的FPGA器件也會越來廣泛。
作為FPGA的設計者，主要的工作是找到適合項目需要的IP庫資源，然后將這些IP整合起來，完成頂層模塊設計。由于商業的IP庫都是通過驗證的，因此整個項目的仿真和驗證工作主要就是驗證IP庫的接口邏輯設計的正確性。
目前，由于國內的知識產權保護的相關法律法規還不盡完善，基于IP庫的設計方法還沒有得到廣泛應用。但是隨著FPGA密度不斷提高和IP庫的價格逐漸趨于合理化，這種設計方法將會成為主流的FPGA設計技術。

4．FPGA的動態可重構技術
FPGA動態重構技術主要是指對于特定結構的FPGA芯片，在一定的控制邏輯的驅動下，對芯片的全部或部分邏輯資源實現高速的功能變換，從而實現硬件的時分復用，節省邏輯資源。
由于密度不斷提高，FPGA能實現的功能也越來越復雜。FPGA全部邏輯配置一次的需要的時間也變長了，降低了系統的實時性。局部邏輯的配置功能可以實現“按需動態重構”，大大提高了配置的效率。

動態可重構的FPGA可以在系統運行中對電路功能進行動態配置，實現硬件的時分復用，節省了資源，主要適用于以下兩個系統設計。
① 最新通信系統。
FPGA的動態重構特性可以適應不同體制和不同標準的通信要求，滿足軟件無線電技術的發展和第三代（3G）和第四代（4G）移動通信系統的需要。
② 重構計算機：FPGA具有并行處理能力和動態配置能力，可自動改變硬件來適應正在運行的程序，產生了基于這種軟硬件環境的全新概念的計算機。