fpga的基础知识和特点

　   FPGA技术的发展历史

　　纵观数字集成威廉希尔官方网站 的发展历史，经历了从电子管、晶体管、小规模集成威廉希尔官方网站 到大规模以及超大规模集成威廉希尔官方网站 等不同的阶段。发展到现在，主要有3类电子器件：存储器、处理器和逻辑器件。

　　存储器保存随机信息（电子数据表或数据库的内容）；处理器执行软件指令，以便完成各种任务（运行数据处理程序或视频游戏）；而逻辑器件可以提供特殊功能（器件之间的通信和系统必须执行的其他所有功能）。

　　逻辑器件分成两类：

　　① 固定的或定制的。

　　② 可编程的或可变的。

　　其中，固定的或定制的逻辑器件通常称为专用芯片（ASIC）。ASIC是为了满足特定的用途而设计的芯片，例如MP3解码芯片等。其优点是通过固化的逻辑功能和大规模的工业化生产，降低了芯片的成本，同时提高了产品的可靠性。随着集成度的提高，ASIC的物理尺寸也在不断的缩小。

　　但是，ASIC设计的周期很长，而且投资大，风险高。一旦设计结束后，功能就固化了，以后的升级改版困难比较大。电子产品的市场正在逐渐细分，为了满足快速产品开发，产生了现场可编程逻辑器件（FPGA）。

　　自1984年Xilinx公司推出了第一片现场可编程逻辑器件（FPGA）至今，FPGA已经历了20几年的快速发展历程。特别是近几年来，更是发展迅速。FPGA的逻辑规模已经从最初的1000个可用门发展到现在的1000万个可用门。

　　FPGA技术之所以具有巨大的市场吸引力，其根本原因在于：FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、投入少，芯片价格不断下降。FPGA正在越来越多地取代传统上ASIC，特别是在小批量、个性化的产品市场方面。

　　FPGA技术的发展动向

　　随着芯片设计工艺水平的不断提高，FPGA技术呈现出了以下4个主要的发展动向。

　　1．基于FPGA的嵌入式系统（SoPC）技术正在成熟

　　System on Chip（SoC）技术在芯片设计领域被越来越广泛地采用，而SoPC技术是SoC技术在可编程器件领域的应用。这种技术的核心是在FPGA芯片内部构建处理器。Xilinx公司主要提供基于Power PC的硬核解决方案，而Altera提供的是基于NIOSII的软核解决方案。

　　Altera公司为NIOSII软核处理器提供了完整的软硬件解决方案，可以让客户短时间完成SoPC系统的构建和调试工作。

　　2．FPGA芯片向高性能、高密度、低压和低功耗的方向发展

　　随着芯片生产工艺不断提高，FPGA芯片的性能和密度都在不断提高。早期的FPGA主要是完成接口逻辑设计，比如AD/DA和DSP的粘合逻辑。现在的FPGA正在成为威廉希尔官方网站 的核心部件，完成关键功能。

　　在高性能计算和高吞吐量I/O应用方面，FPGA已经取代了专用的DSP芯片，成为最佳的实现方案。因此，高性能和高密度也成为衡量FPGA芯片厂家设计能力的重要指标。

　　随着FPGA性能和密度的提高，功耗也逐渐成为了FPGA应用的瓶颈。虽然FPGA比DSP等处理器的功耗低，但是要明显高于专用芯片（ASIC）的功耗。FPGA的厂家也在采用各种新工艺和技术来降低FPGA的功耗，并且已经取得了明显的效果。

　　例如，Altera公司的StratixIII系列FPGA的功耗比上一代产品StratixII系列降低了50%以上。

　　3．基于IP库的设计方法

　　未来的FPGA芯片密度不断提高，传统的基于HDL的代码设计方法很难满足超大规模FPGA的设计需要。随着专业的IP库设计公司不断增多，商业化的IP库种类会越来越全面，支持的FPGA器件也会越来广泛。

　　作为FPGA的设计者，主要的工作是找到适合项目需要的IP库资源，然后将这些IP整合起来，完成顶层模块设计。由于商业的IP库都是通过验证的，因此整个项目的仿真和验证工作主要就是验证IP库的接口逻辑设计的正确性。

　　目前，由于国内的知识产权保护的相关法律法规还不尽完善，基于IP库的设计方法还没有得到广泛应用。但是随着FPGA密度不断提高和IP库的价格逐渐趋于合理化，这种设计方法将会成为主流的FPGA威廉希尔官方网站 。

　　4．FPGA的动态可重构技术

　　FPGA动态重构技术主要是指对于特定结构的FPGA芯片，在一定的控制逻辑的驱动下，对芯片的全部或部分逻辑资源实现高速的功能变换，从而实现硬件的时分复用，节省逻辑资源。

　　由于密度不断提高，FPGA能实现的功能也越来越复杂。FPGA全部逻辑配置一次的需要的时间也变长了，降低了系统的实时性。局部逻辑的配置功能可以实现“按需动态重构”，大大提高了配置的效率。

　　动态可重构的FPGA可以在系统运行中对威廉希尔官方网站 功能进行动态配置，实现硬件的时分复用，节省了资源，主要适用于以下两个系统设计。

　　① 最新通信系统。

　　FPGA的动态重构特性可以适应不同体制和不同标准的通信要求，满足软件无线电技术的发展和第三代（3G）和第四代（4G）移动通信系统的需要。

　　② 重构计算机：FPGA具有并行处理能力和动态配置能力，可自动改变硬件来适应正在运行的程序，产生了基于这种软硬件环境的全新概念的计算机。

　　FPGA的工作原理和基本特点

　　1）采用FPGA设计ASIC威廉希尔官方网站 （专用集成威廉希尔官方网站 ），用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

　　2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC威廉希尔官方网站 的中试样片。

　　3）FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。

　　4）FPGA是ASIC威廉希尔官方网站 中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

　　5） FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

　　可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

　　FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的威廉希尔官方网站 功能。因此，FPGA的使用非常灵活。

　　FPGA的应用

　　1.威廉希尔官方网站 设计中FPGA的应用

　　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。事实上在威廉希尔官方网站 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（威廉希尔官方网站 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！搞威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 开发是黄金饭碗。

　　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，是一个近期的发展热点和机遇

　　3.系统级应用

　　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开发，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。

　　4.最新应用

　　北京时间2010年12月30日消息，美英两国科学家联合开发了一款运算速度超快的电脑芯片，使当前台式机的运算能力提升20倍。当前的个人电脑使用双核、4核、16核处理器来执行各项任务。如今，美英研究人员开发的中央处理器（CPU）将1000个内核有效集成于一个芯片上。这项突破或将在今后几年开启一个超高速运算的新时代，使家庭用户不再对运行缓慢的电脑系统感到沮丧。虽然速度更快，但由于新型“超级”电脑的能耗远低于当前电脑，所以更加环保。

　　研究人员采用了一种名为“现场可编程门阵列”（以下简称“FPGA”）的芯片，使得微晶片就像都含有数百万个晶体管一样，而晶体管则是任何威廉希尔官方网站 的基本组成部分。不过，FPGA芯片可由用户安装到特定威廉希尔官方网站 ，它们的功能不是在出厂时就设定好的。这样一来，用户可以将晶体管划分成一个个“小群体”，要求每个“小群体”完成不同的任务。通过在FPGA芯片内创建逾1000个微威廉希尔官方网站 ，研究人员便将这个芯片变成了1000个内核的处理器——每个内核都可以遵照自己的指令工作。在测试中，FPGA芯片每秒能处理5GB的数据，处理速度大概相当于当前台式机的20倍。这项研究由英国格拉斯哥大学的韦姆·范德堡韦德（Wim Vanderbauwhede）博士和美国马萨诸塞大学卢维尔分校的同行共同实施。

　　范德堡韦德说：“FPGA芯片没有应用于标准电脑上，原因是对FPGA芯片编程相当困难。FPGA芯片的处理能力强大，由于速度更快，能耗相当低，是我们更为环保的选择。”虽然当前市场上销售的电脑大多数内核超过一个，可以同时实施不同任务，但传统多核处理器只能共用一个存储源，这降低了运算速度。范德堡韦德的研究团队给每个内核分配一定量的专用存储空间，从而加快了处理器的运算速度。

　　一名用户坐在运算速度很慢的台式机前面，看上去一筹莫展。在测试中，FPGA芯片每秒能处理5GB的数据，处理速度大概相当于当前台式机的20倍

　　范德堡韦德博士说：“这只是初期概念验证研究，我们试图展示对FPGA编程的便捷方式，令其超高速处理的潜力可以更为广泛地应用于未来的运算器和电子设备上。虽然现有许多技术充分使用FPGA芯片，如等离子电视、液晶电视和电脑网络路由器，但它们在标准台式机上的应用却十分有限。”

　　“但是，我们看到，包括英特尔和ARM在内的一些厂商已经宣布将开发集成传统CPU与FPGA芯片的微晶片。我认为此类处理器会得到更广泛的应用，有助于在今后几年进一步提升电脑运算速度。”范德堡韦德希望在2011年3月应用重构运算国际研讨会上详细介绍他的研究发现。