可編程邏輯門陣列(FPGA)的發(fā)展初期，由于半導(dǎo)體技術(shù)的限制，這些設(shè)備體積小且功能簡單，早期的FPGA僅有幾百個邏輯門，用于將以前通過多個離散邏輯元件實現(xiàn)的功能整合到一個可編程芯片中。隨著設(shè)計工程師認識到FPGA能夠減少元件數(shù)量、節(jié)省電路板空間并降低電路板布局復(fù)雜性的價值，F(xiàn)PGA市場迅速增長。

　　半導(dǎo)體技術(shù)的進步不可避免地改變了FPGA自20世紀80年代以來的面貌，使其成為我們今天所知的大型復(fù)雜設(shè)備。在高端市場，F(xiàn)PGA擁有數(shù)百萬個邏輯門，支持超過30 Gbits/s數(shù)據(jù)傳輸率的超高速接口，以及實現(xiàn)嵌入式處理器、鎖相環(huán)(PLL)、功能性SRAM存儲等多種硬連線IP模塊。

圖1：可編程性很強的可編程硬件結(jié)構(gòu)

　　高端FPGA是數(shù)據(jù)處理、成像和高帶寬通信設(shè)備等應(yīng)用的主要解決方案，吸引了最多的關(guān)注并占據(jù)了行業(yè)市場推廣費用的最大份額。但值得記住的是，小型FPGA最初的角色在以下功能中仍有價值：

　　膠合邏輯集成

　　基本狀態(tài)機

　　I/O和接口橋接

　　I/O擴展器

　　簡單計數(shù)器或PWM

　　控制邏輯

　　多個傳感器輸入的聚合

　　電壓監(jiān)測

　　一個活躍的小型、低成本和低端FPGA市場支持這些及其他功能。其對OEM的重要性反映在FPGA市場的一個新進入者——瑞薩電子的到來，瑞薩電子計劃在2023年推出其首款FPGA。

　　然而，關(guān)于FPGA在主流工業(yè)和消費電子設(shè)備中的適用性，意見仍然分歧。熟悉微控制器(MCU)的設(shè)計工程師通常認為FPGA是一個陌生的概念：昂貴、耗電且難以使用。

　　這可能適用于Xilinx(現(xiàn)屬于AMD)和Intel提供的高端FPGA，但不適用于Lattice Semiconductor和Microchip提供的低端FPGA，瑞薩電子也即將加入這一行列。事實上，F(xiàn)PGA在許多功能上提供了相對于MCU的重要優(yōu)勢。

　　在MCU中，任務(wù)是按順序在軟件中實現(xiàn)的。而在FPGA中，任務(wù)是并行地在硬件中完成的。這帶來了FPGA操作的吸引人的特性：高度確定性的性能、低延遲、定制硬件的靈活性和非常低的功耗。

　　本文將介紹FPGA的基本操作，以及FPGA制造商提供的設(shè)計工具如何使FPGA在電子系統(tǒng)設(shè)計中的實現(xiàn)變得簡單明了。

　　FPGA的基本架構(gòu)

　　FPGA由三個基本元素組成(見圖1)：

　　可編程邏輯單元(LEs)

　　可編程路由互連

　　可配置的I/O，用于與外部世界通信

　　邏輯單元由一個可配置的查找表(LUT)和一個順序元素(SE)組成。LUT可以配置為任何類型的組合邏輯，例如OR、AND或XOR。SE通常配置為一個簡單的觸發(fā)器。

　　邏輯單元是FPGA的基本功能塊，因此每個FPGA都是根據(jù)其包含的邏輯單元數(shù)量進行分類的。低端FPGA市場涵蓋了從幾百個邏輯單元到1萬個邏輯單元的FPGA。

　　可編程互連將配置好的邏輯單元連接在一起，以實現(xiàn)應(yīng)用所需的功能。

　　I/O也是可編程的，可以配置為支持任何I/O接口標準。

　　實現(xiàn)這些元素的基礎(chǔ)硬件是大量的可編程開關(guān)。在大多數(shù)FPGA中，這些開關(guān)在每次FPGA上電時都會重新編程。這需要將編程文件存儲在配置存儲器中，該存儲器可以是FPGA芯片內(nèi)部的也可以是外部的。

　　Microchip的FPGA是這一規(guī)則的例外：它們的可編程開關(guān)采用類似于非易失性閃存的技術(shù)。直接編程后，它們不需要編程文件或配置存儲器。

圖2:每一個FPGA制造商為其設(shè)備提供的工具都支持燃料元件板的設(shè)計流程

　　如何配置FPGA硬件

　　所有FPGA制造商都提供自己的設(shè)計工具來生成這種編程文件，通常稱為比特流。每個制造商的工具都相似。這些工具提供以下功能：

　　使用標準硬件描述語言(HDL)(VHDL或Verilog)進行功能描述

　　綜合

　　布局和布線

　　編程文件生成

　　定時分析是設(shè)計流程的一部分，用于檢查通過路由結(jié)構(gòu)傳輸信號的傳播延遲是否與應(yīng)用的性能要求一致(見圖2)。模擬和驗證由HDL工具生成的代碼也很重要，以驗證編程到FPGA中的功能是否符合設(shè)計規(guī)范。

　　在整個FPGA開發(fā)過程中，沒有任何事情比實現(xiàn)定時分析和RTL仿真更難——它們并不是特別復(fù)雜。所有其他階段都由設(shè)計工具自動執(zhí)行，只需幾分鐘即可在標準筆記本電腦上完成。

　　每個FPGA制造商都提供自己的工具集;它們之間的主要區(qū)別在于圖形用戶界面。只要源代碼是使用標準的VHDL或Verilog描述語言編寫的，遷移從一個工具到另一個工具是很容易的。這些工具的使用通常通過免費許可證向FPGA用戶提供。FPGA評估板也很容易以低成本獲得，因此工具和資源的成本對于希望開始嘗試低端FPGA的工程師來說不是障礙。

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