FPGA基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介

FPGA基礎(chǔ)知識(shí)簡(jiǎn)介

FPGA技術(shù)的發(fā)展歷史
縱觀數(shù)字集成電路的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了從電子管、晶體管、小規(guī)模集成電路到大規(guī)模以及超大規(guī)模集成電路等不同的階段。發(fā)展到現(xiàn)在，主要有3類電子器件：存儲(chǔ)器、處理器和邏輯器件。
存儲(chǔ)器保存隨機(jī)信息（電子數(shù)據(jù)表或數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容）；處理器執(zhí)行軟件指令，以便完成各種任務(wù)（運(yùn)行數(shù)據(jù)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(tǒng)必須執(zhí)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(shè)計(jì)的芯片，例如MP3解碼芯片等。其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)固化的邏輯功能和大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，降低了芯片的成本，同時(shí)提高了產(chǎn)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(shè)計(jì)的周期很長(zhǎng)，而且投資大，風(fēng)險(xiǎn)高。一旦設(shè)計(jì)結(jié)束后，功能就固化了，以后的升級(jí)改版困難比較大。電子產(chǎn)品的市場(chǎng)正在逐漸細(xì)分，為了滿足快速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，產(chǎn)生了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（FPGA）。
自1984年Xilinx公司推出了第一片現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（FPGA）至今，F(xiàn)PGA已經(jīng)歷了20幾年的快速發(fā)展歷程。特別是近幾年來(lái)，更是發(fā)展迅速。FPGA的邏輯規(guī)模已經(jīng)從最初的1000個(gè)可用門發(fā)展到現(xiàn)在的1000萬(wàn)個(gè)可用門。
FPGA技術(shù)之所以具有巨大的市場(chǎng)吸引力，其根本原因在于：FPGA不僅可以解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性等問(wèn)題，而且其開(kāi)發(fā)周期短、投入少，芯片價(jià)格不斷下降。FPGA正在越來(lái)越多地取代傳統(tǒng)上ASIC，特別是在小批量、個(gè)性化的產(chǎn)品市場(chǎng)方面。

FPGA技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向
隨著芯片設(shè)計(jì)工藝水平的不斷提高，F(xiàn)PGA技術(shù)呈現(xiàn)出了以下4個(gè)主要的發(fā)展動(dòng)向。

1．基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)（SoPC）技術(shù)正在成熟
System on Chip（SoC）技術(shù)在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域被越來(lái)越廣泛地采用，而SoPC技術(shù)是SoC技術(shù)在可編程器件領(lǐng)域的應(yīng)用。這種技術(shù)的核心是在FPGA芯片內(nèi)部構(gòu)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(shí)間完成SoPC系統(tǒng)的構(gòu)建和調(diào)試工作。

2．FPGA芯片向高性能、高密度、低壓和低功耗的方向發(fā)展
隨著芯片生產(chǎn)工藝不斷提高，F(xiàn)PGA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(shè)計(jì)，比如AD/DA和DSP的粘合邏輯�，F(xiàn)在的FPGA正在成為電路的核心部件，完成關(guān)鍵功能。
在高性能計(jì)算和高吞吐量I/O應(yīng)用方面，F(xiàn)PGA已經(jīng)取代了專用的DSP芯片，成為最佳的實(shí)現(xiàn)方案。因此，高性能和高密度也成為衡量FPGA芯片廠家設(shè)計(jì)能力的重要指標(biāo)。
隨著FPGA性能和密度的提高，功耗也逐漸成為了FPGA應(yīng)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(shù)來(lái)降低FPGA的功耗，并且已經(jīng)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(chǎn)品StratixII系列降低了50%以上。

3．基于IP庫(kù)的設(shè)計(jì)方法
未來(lái)的FPGA芯片密度不斷提高，傳統(tǒng)的基于HDL的代碼設(shè)計(jì)方法很難滿足超大規(guī)模FPGA的設(shè)計(jì)需要。隨著專業(yè)的IP庫(kù)設(shè)計(jì)公司不斷增多，商業(yè)化的IP庫(kù)種類會(huì)越來(lái)越全面，支持的FPGA器件也會(huì)越來(lái)廣泛。
作為FPGA的設(shè)計(jì)者，主要的工作是找到適合項(xiàng)目需要的IP庫(kù)資源，然后將這些IP整合起來(lái)，完成頂層模塊設(shè)計(jì)。由于商業(yè)的IP庫(kù)都是通過(guò)驗(yàn)證的，因此整個(gè)項(xiàng)目的仿真和驗(yàn)證工作主要就是驗(yàn)證IP庫(kù)的接口邏輯設(shè)計(jì)的正確性。
目前，由于國(guó)內(nèi)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的相關(guān)法律法規(guī)還不盡完善，基于IP庫(kù)的設(shè)計(jì)方法還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。但是隨著FPGA密度不斷提高和IP庫(kù)的價(jià)格逐漸趨于合理化，這種設(shè)計(jì)方法將會(huì)成為主流的FPGA設(shè)計(jì)技術(shù)。

4．FPGA的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)
FPGA動(dòng)態(tài)重構(gòu)技術(shù)主要是指對(duì)于特定結(jié)構(gòu)的FPGA芯片，在一定的控制邏輯的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)芯片的全部或部分邏輯資源實(shí)現(xiàn)高速的功能變換，從而實(shí)現(xiàn)硬件的時(shí)分復(fù)用，節(jié)省邏輯資源。
由于密度不斷提高，F(xiàn)PGA能實(shí)現(xiàn)的功能也越來(lái)越復(fù)雜。FPGA全部邏輯配置一次的需要的時(shí)間也變長(zhǎng)了，降低了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。局部邏輯的配置功能可以實(shí)現(xiàn)“按需動(dòng)態(tài)重構(gòu)”，大大提高了配置的效率。

動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的FPGA可以在系統(tǒng)運(yùn)行中對(duì)電路功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，實(shí)現(xiàn)硬件的時(shí)分復(fù)用，節(jié)省了資源，主要適用于以下兩個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。
① 最新通信系統(tǒng)。
FPGA的動(dòng)態(tài)重構(gòu)特性可以適應(yīng)不同體制和不同標(biāo)準(zhǔn)的通信要求，滿足軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展和第三代（3G）和第四代（4G）移動(dòng)通信系統(tǒng)的需要。
② 重構(gòu)計(jì)算機(jī)：FPGA具有并行處理能力和動(dòng)態(tài)配置能力，可自動(dòng)改變硬件來(lái)適應(yīng)正在運(yùn)行的程序，產(chǎn)生了基于這種軟硬件環(huán)境的全新概念的計(jì)算機(jī)。