簡(jiǎn)單分析FPGA的工作原理以及設(shè)計(jì)應(yīng)用

（文章來(lái)源：OFweek）

FPGA（Field-Program mable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)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(shù)有限的缺點(diǎn)。所以，要想玩轉(zhuǎn)FPGA,就必須理解FPGA內(nèi)部的工作原理，學(xué)習(xí)如何利用這些單元實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的邏輯設(shè)計(jì)。

FPGA一般來(lái)說(shuō)比ASIC（專用集成芯片）的速度要慢，無(wú)法完成復(fù)雜的設(shè)計(jì)，但是功耗較低。但是 他們也有很多的優(yōu)點(diǎn)比如可以快速成品，可以被修改來(lái)改正程序中的錯(cuò)誤和更便宜的造價(jià)。廠商也可能會(huì)提供便宜的但是編輯能力差的FPGA.因?yàn)檫@些芯片有比 較差的可編輯能力，所以這些設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)是在普通的FPGA上完成的，然后將設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到一個(gè)類似于ASIC的芯片上。

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA這樣一個(gè)概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB、輸出輸入模塊IOB和內(nèi)部連線三個(gè)部分。 現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列是可編程器件，與傳統(tǒng)邏輯電路和 門陣列相比，F(xiàn)PGA具有不同的結(jié)構(gòu)。FPGA利用小型查找表來(lái)實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一 個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來(lái)驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或驅(qū)動(dòng)I/O,由此構(gòu)成了既可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)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(guò)向內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)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(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實(shí)現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA允許無(wú)限次的編程。

FPGA的基礎(chǔ)就是數(shù)字電路和VHDL語(yǔ) 言，想學(xué)好FPGA的人，建議床頭都有一本數(shù)字電路的書，不管是哪個(gè)版本的，這個(gè)是基礎(chǔ)，多了解也有助于形成硬件設(shè)計(jì)的思想。在語(yǔ)言方面，建議初學(xué)者學(xué)習(xí) Verilog語(yǔ)言，VHDL語(yǔ)言語(yǔ)法規(guī)范嚴(yán)格，調(diào)試起來(lái)很慢，Verilog語(yǔ)言容易上手，而且，一般大型企業(yè)都是用Verilog語(yǔ)言，VHDL語(yǔ)言 規(guī)范，易讀性強(qiáng)，所以一般軍工都用VHDL.

熟悉幾個(gè)常用的就可以的，開(kāi)發(fā)環(huán)境QuartusII ,或ISE 就可以了，這兩個(gè)基本是相通的，會(huì)了哪一個(gè)，另外的那個(gè)也就很Easy了。功能仿真建議使用Modelsim ,如果你是做芯片的，就可以學(xué)學(xué)別的仿真工具，做FPGA的，Modelsim就足夠了。綜合工具一般用Synplify,初學(xué)先不用太關(guān)心這個(gè)，用 Quartus綜合就OK了。

對(duì)于初學(xué)者，特別是從軟件轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)的，設(shè)計(jì)的程序既費(fèi)資源又速度慢，而且很有可能綜合不了，這就要求我們熟悉一些固定模塊的寫法，可綜合的模塊很多書上都有，語(yǔ)言介紹上都有，不要想當(dāng)然的用軟件的思想去寫硬件。

FPGA學(xué)習(xí)要多練習(xí)，多仿真，signaltapII是很好的工具，可以看到每個(gè)信號(hào)的真實(shí)值， 建議初學(xué)者一定要自己多動(dòng)手，光看書是沒(méi)用的。關(guān)于英文文檔問(wèn)題，如果要學(xué)會(huì)Quartus II的所有功能，只要看它的handbook就可以了，很詳細(xì)，對(duì)于IT行業(yè)的人，大部分知識(shí)來(lái)源都是英文文檔，一定要耐心看，會(huì)從中收獲很多的。

做FPGA的工程師，最后一般都是專攻算法了，這些基礎(chǔ)知識(shí)都是順手捏來(lái)的，如果你沒(méi)有做好搞理論 的準(zhǔn)備，學(xué)FPGA始終只能停留在初級(jí)階段上。對(duì)于初學(xué)者，數(shù)字信號(hào)處理是基礎(chǔ)，應(yīng)該好好理解，往更深的方向，不用什么都學(xué)，根據(jù)你以后從事的方向，比如 說(shuō)通信、圖像處理，雷達(dá)、聲納、導(dǎo)航定位等。

FPGA有多種配置模式：并行主模式為一片F(xiàn)PGA加一片EPROM的方式；主從模式可以支持一片PROM編程多片F(xiàn)PGA;串行模式可以采用串行PROM編程FPGA；外設(shè)模式可以將FPGA作為微處理器的外設(shè)，由微處理器對(duì)其編程。

如何實(shí)現(xiàn)快速的時(shí)序收斂、降低功耗和成本、優(yōu)化時(shí)鐘管理并降低FPGA與PCB并行設(shè)計(jì)的復(fù)雜性等問(wèn)題，一直是采用FPGA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師需要考慮的關(guān)鍵問(wèn)題。如今，隨著FPGA向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工 程師在從這些優(yōu)異性能獲益的同時(shí)，不得不面對(duì)由于FPGA前所未有的性能和能力水平而帶來(lái)的新的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。
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