1984年，Xilinx公司的創(chuàng)始人之一，密西根大學(xué)畢業(yè)生，RossFreeman第一次提出了可編程邏輯器件（PLD）的概念，讓芯片成為一個空白的畫布，可由工程師通過編程在上面任意“涂鴉”。

Freeman也因為這項發(fā)明進(jìn)入2009美國發(fā)明家名人堂。遺憾的是英年早逝的他沒能看到他所締造的FPGA帝國是多么的輝煌。

清華大學(xué)微電子研究所所長，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會副理事長魏少軍先生曾用印一本書來區(qū)別芯片的設(shè)計、制造、封測過程：設(shè)計相當(dāng)于作家寫了一本書，制造相當(dāng)于印刷，封裝相當(dāng)于裝訂。那么FPGA是什么？如果是一個專業(yè)從事FPGA工作的老攻城獅可能會告訴你，”Field Programmable Gate Array“，然后再補上一句”It can be anything you want“。網(wǎng)上也有很多通俗易懂的類比。例如把FPGA的開發(fā)看作是數(shù)字積木搭建，東南大學(xué)湯勇明老師就寫過一本《搭建你的數(shù)字積木——數(shù)字電路與邏輯設(shè)計》

一個個IP就像是一塊塊積木，通過調(diào)用IP"搭建"特定功能的電路，這個比喻來說明FPGA的開發(fā)再合適不過了。

也有人將FPGA比作是空白的大腦，大腦里面存在成千上萬的神經(jīng)元細(xì)胞，但是神經(jīng)元之間并沒有連接起來，也就還沒有大腦強大的功能，但是當(dāng)工程師用Verilog或者vhdl來對FPGA進(jìn)行布局布線之后，神經(jīng)元就連接到了一起，大腦也就有了一些功能，給大腦輸入羊肉泡饃的畫面，會流口水之類的反應(yīng)。這個比喻來形容FPGA的設(shè)計原理再合適不過了。

另外，還有人將FPGA中的一些組成部分和生物化學(xué)有機體類比。FPGA中最基本的單元——可編程邏輯單元（CLB），可以類比為有機體中的蛋白質(zhì)分子，生物化學(xué)的角度上，蛋白質(zhì)可以合成更高更復(fù)雜的器官，例如心，肝，胃，胳膊腿等，那么同樣CLB作為電子有機體中的蛋白質(zhì)分子，當(dāng)然就可以合成一個電子有機體（類比人）的各個模塊（器官），有的器官復(fù)雜，需要很多蛋白質(zhì)分子分層次合成，那么同樣，有的電子系統(tǒng)的模塊的也極其復(fù)雜，需要CLB分層次合成。

那么蛋白質(zhì)分子在合成各種不同的器官的時候，靠什么做指導(dǎo)嘞？人體內(nèi)部有著極其龐大復(fù)雜的DNA序列，這個DNA序列記錄著人體的所有信息。在受精卵生成胚胎階段，其中的某一段序列指導(dǎo)胚胎的這一坨（也就是這一堆蛋白質(zhì)分子）成為未來的手，另一端序列指導(dǎo)胚胎的另一堆蛋白質(zhì)分子成為未來的胳膊。那么同樣，在FPGA中也會有等價于生物化學(xué)有機體中的DNA，就是bit_stream。bit_stream和DNA完全類似，就是一段序列，指導(dǎo)著若干CLB合成某一個執(zhí)行具體功能的模塊。

在有機體中還有脂肪的存在，脂肪的一大作用就是存儲能量，在FPGA中負(fù)責(zé)存儲的是BRAM，不同的是脂肪儲存的是能量，BRAM儲存的是數(shù)據(jù)。

FPGA中還有一個很重要的東西叫做DSP，即數(shù)字信號處理器，在人的大腦里面有一片腦回溝區(qū)域?qū)ｉT負(fù)責(zé)數(shù)學(xué)運算，兩者可以做一個類比。

生物體中還有一個十分重要的器官叫心臟，而FPGA中有一個東西叫時鐘，心臟控制脈搏，時鐘則負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的工作頻率。有了心臟，人類才得以正常活動，有了時鐘，系統(tǒng)才得以有條不紊的運行。

在FPGA的設(shè)計當(dāng)中編寫的RTL代碼，通過軟件工具可以生成人類看不懂的bit_stream,也就是說工程師每天的工作都是在編寫FPGA的DNA,在生物學(xué)領(lǐng)域，我相信大多數(shù)的科學(xué)家畢生都在做著解讀‘人類天書’DNA的工作吧。這樣一一類比下來感覺FPGA的開發(fā)就像是在造人一樣，頓時感覺代碼都不枯燥了。

首款 FPGA，即賽靈思 XC2064，只包含 64 個邏輯模塊，每個模塊含有兩個 3 輸入查找表 (LUT) 和一個寄存器。按照現(xiàn)在的計算，該器件有 64 個邏輯單元——不足 1000 個邏輯門。盡管容量很小，XC2064 晶片的尺寸卻非常大，比當(dāng)時的微處理器還要大;而且采用 2.5 微米工藝技術(shù)勉強能制造出這種器件。但隨著IC制造工藝的發(fā)展，F(xiàn)PGA也迅速發(fā)展，資源爆炸式增長，ZYNQ系列的Z-7100的邏輯單元已經(jīng)到了444k。

與FPGA同為PLD的還有CPLD，CPLD（Complex Programmable Logic Device）,復(fù)雜可編程邏輯器件。CPLD由可編程邏輯的功能圍繞一個可編程互連矩陣構(gòu)成，由固定長度的金屬線實現(xiàn)邏輯單元之間的互連，并增加了I/O控制模塊的數(shù)量和功能。

CPLD的基本結(jié)構(gòu)可看成由可編程邏輯陣列（LAB），可編程I/O控制模塊和可編程內(nèi)部連線（PIA）等三部分組成。

可編程邏輯陣列（LAB）:由若干個可編程邏輯宏單元（Logic Macro Cell，LMC）組成，LMC主要包括與陣列、或陣列、可編程觸發(fā)器和多路選擇器等電路，能獨立地配置為時序或組合工作方式。

FPGA由可編程邏輯塊（CLB），輸入/輸出模塊（IOB）及可編程互連資源（PIR）等三種可編程電路和一個SRAM結(jié)構(gòu)的配置存儲單元組成。CLB是實現(xiàn)邏輯功能的基本單元，他們通常規(guī)則排列成一個陣列，散布于整個芯片中?？删幊梯斎?輸出模塊（IOB）主要完成芯片上的邏輯與外部引腳的接口，它通常排列在芯片的四周?？删幊袒ミB資源（PIR）包括各種長度的連線線段和一些可編程鏈接開關(guān)，他們將各個CLB之間或CLB與IOB之間以及IOB之間連接起來，構(gòu)成特定功能的電路。

CLB主要由邏輯函數(shù)發(fā)生器，觸發(fā)器，數(shù)據(jù)選擇器等電路組成。邏輯函數(shù)發(fā)生器主要由查找表（Look Up Table）構(gòu)成。

查找表LUT實質(zhì)上是一個RAM，當(dāng)用戶描述了一個邏輯電路后，軟件會計算所有可能的結(jié)果，并寫入RAM。每一個信號進(jìn)行邏輯運算，就等于輸入一個地址進(jìn)行查表，找出地址對應(yīng)的內(nèi)容，輸出結(jié)果。這樣也大大加快了FPGA的運算速度。

FPGA和CPLD的區(qū)別主要有以下幾點：

（1） FPGA采用SRAM進(jìn)行功能配置，可重復(fù)編程，但系統(tǒng)掉電后，SRAM中的數(shù)據(jù)丟失，因此，需要在FPGA外加EPROM，將配置數(shù)據(jù)寫入其中，系統(tǒng)每次上電自動將數(shù)據(jù)引入SRAM中。CPLD器件一般采用EEPROM存儲技術(shù)，可重復(fù)編程，并且系統(tǒng)掉電后，EEPROM中的數(shù)據(jù)不會丟失，適用于數(shù)據(jù)的保密。

（2）FPGA器件含有豐富的觸發(fā)器資源，易于實現(xiàn)時序邏輯，如果要求實現(xiàn)較復(fù)雜的組合電路，則需要幾個CLB結(jié)合起來實現(xiàn)。CPLD的與或陣列結(jié)構(gòu)，更適用于實現(xiàn)大規(guī)模組合功能，但觸發(fā)器資源相對較少。

（3）FPGA是細(xì)顆粒度結(jié)構(gòu)，CPLD是粗粒度結(jié)構(gòu)。FPGA內(nèi)部有豐富連線資源，CLB分塊較小，芯片利用率高。CPLD宏單元的與或陣列較大，通常不能完全被應(yīng)用，且宏單元之間的主要通過高速數(shù)據(jù)通道連接，其容量有限，限制了器件的靈活布線，因此，CPLD利用率較FPGA器件低。

（4）FPGA為非連續(xù)式布線，CPLD為連續(xù)式布線。FPGA器件每次編程時實現(xiàn)的邏輯功能一樣，但走的路線不同，因此延時不易控制，即時序延遲不可預(yù)測。CPLD每次布線路徑一樣，消除了分段式互連結(jié)構(gòu)在定時上的差異，并在邏輯單元之間提供快速且具有固定延時的通路，CPLD的延時小，且時序延遲可預(yù)測。CPLD比FPGA可工作在更高的頻率。

所以FPGA是什么？

Itcan beanything you want!

原文標(biāo)題：FPGA掃盲文

文章出處：【微信公眾號：FPGA之家】歡迎添加關(guān)注！文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

責(zé)任編輯：haq