FPGA基礎中的FPGA芯片是什么

這篇文章給大家介紹FPGA基礎中的FPGA芯片是什么，內容非常詳細，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對大家能有所幫助。

FPGA芯片簡介

在介紹FPGA芯片之前，首先介紹一下等效電路。

先解釋一下“等效”。

等效是指效用相同。通俗的解釋就是不關心過程，結果是相同的。

圖1 ：行走路徑圖

舉例說明：小明現在在A點，想要到C點去。從圖1中我們簡單分析出，可以是A點 —> B點 —> C點，也可以A點 —> D點 —> C點。如果小明不嫌棄累的話，也可以A點 —> B點 —> A點 —> D點 —> C點。在我們不考慮不過程的情況下，只考慮最后小明的位置，那么無論哪種方案，最終的結果都是相同的。

在做電路的設計和分析的時候，我們也經常引入等效的概念，來解決復雜的問題。例如：諾頓定理（Nortons theorem）和戴維南定理(Thevenin's theorem)。在這里這兩個定理不做過多介紹，有興趣的讀者可以自行查詢。

黑盒測試也稱功能測試，它是通過測試來檢測每個功能是否都能正常使用。在測試中，把程序看作一個不能打開的黑盒子，在完全不考慮程序內部結構和內部特性的情況下，在程序接口進行測試，它只檢查程序功能是否按照需求規格說明書的規定正常使用，程序是否能適當地接收輸入數據而產生正確的輸出信息。黑盒測試著眼于程序外部結構，不考慮內部邏輯結構，主要針對軟件界面和軟件功能進行測試。

黑盒測試是以用戶的角度，從輸入數據與輸出數據的對應關系出發進行測試的。很明顯，如果外部特性本身設計有問題或規格說明的規定有誤，用黑盒測試方法是發現不了的。

圖3 ：功能表

根據對功能表的分析，可以認定圖2所示數字電路完成了二輸入與門的功能。那這個電路里面一定是一個二輸入與門嗎？答案是：不一定。

圖5 ：利用三個與非門構成的或門

圖7 ：二選一多路選擇器示意圖

當S=0時，Y=A；當S=1時，Y=B。根據已知功能，列出真值表（圖2-8）。

圖9 ：存儲器模型

存儲器中被分為了很多“小格子”，每一個“小格子”里面都可以放下很多的二進制數碼。每個小格子都會有自己獨特的標識，就像我們的門牌號一樣，每個屋都是不同的。邏輯功能是當外部輸入一個“門牌號”，對應的“小格子”里面的二進制數碼就會輸出。

存儲器中的“小格子”的數量，在制造時，就已經確定。“小格子”的數量確定了，那么“門牌號”的形勢也就被確定了。例：我們有100個房間，我們只有兩個十進制的數碼就可以表示了，00至99。在存儲器中，“門牌號”也只能用二進制數來表示，例如：有4個“小格子”，那么“門牌號”就要用兩個二進制碼來表示，00~11。每個“小格子”里面存放的二進制數的個數，在制造時，也就確定好了。

通常我們把“門牌號”稱為地址，“小格子”稱為單個地址的存儲空間，每個“小格子”能放下的二進制數碼的個數稱為“存儲器的存儲位寬”。

制作一個擁有8個地址，單個地址空間為1個二進制數碼的存儲器。此時，地址碼應該有三位，每個地址對應的存儲二進制數碼 的個數為1個。要求：000地址中，放入0；001地址中，放入0；010地址中，放入1；011地址中，放入1；100地址中，放入0；101地址中，放入1；110地址中，放入0；111地址中，放入1；

圖11 ：存儲器的功能表

將存儲器的功能表圖11和二選一多路選擇器的真值表圖8相對比，我們會發現，除了自定義的信號名稱不相同外，邏輯功能是相同的。那么也就是說，在黑盒設計時，我們可以將一個帶有預設值的存儲器放進去，它所對外的功能，也是可以實現二選一多路選擇器的。此時，我們可以帶有預設值的存儲器可以等效為二選一多路選擇器。

仔細觀察，我們發現，任意真值表都可以用存儲器來等效。那也就是說，存儲器電路可以等效為任意組合邏輯的電路。

存儲器電路的優勢：不用做任何邏輯化簡，不受基本邏輯門電路的樣式限制，可以很快的得出最終的電路功能。如果存儲器可以任意修改預設值的話，那么同一個存儲器就可以隨著不同的預設值等效為各類的電路。如果是基本門電路構成的話，就需要受到數量和樣式的限制。

存儲器電路的劣勢：對于簡單的門電路，用存儲器實現是一種浪費。存儲器電路也是一種相對復雜的電路。另外存儲器電路的延遲一般偏大，原因同上。

在做數字組合邏輯電路設計時，如果采用門電路的設計方式，需要更新電路功能時，就需要重新布置電路結構，更換基本電路元器件；如果采用存儲器等效的設計方式，只需要更改預設值即可。這種方法為我們做電路升級提供了一個很好的解決途徑。

FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現的，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有限的缺點。

在介紹FPGA芯片結構之前，首先就FPGA和單片機做一個簡單的對比。

單片機是一種微處理器，類似于電腦CPU。它的電路是固定的，是通過軟件編程語言描述軟件指令控制微處理器進行工作；它的所有指令都是微處理器順序執行的；

圖13 ：與門邏輯功能示意圖

要求實現兩路信號的與操作，將結果作為一路信號輸出。那么在單片機中和FPGA中都是如何實現此功能的呢？

在單片機中，假設我們已經將對應的變量和引腳已經分配結束。我們會編寫如下一段代碼：

圖14 ：CYCLONE IV E 可編程最小單元示意圖

CYCLONE IV E是INTEL FPGA中CYCLONE系列的第四代。在上圖中，四輸入查找表（Four – Input LUT）其實就是一個有16存儲空間，每個存儲空間只有1個二進制數字的存儲器，LUT（Look Up Table）就是查找表。設置合理的預設值，就可以實現一定的數字組合邏輯電路功能。

那為什么要固定為16存儲器空間呢？如果我們要實現一個5輸入的與門，那16個存儲空間就不夠用了。那么此時我們應該怎么辦？

其實也很簡單，只需要將5輸入的與門分為一個四輸入的與門，然后把結果和另外一個輸入進行相與即可。對于存儲器電路也可以這樣做。

如果可以級聯的話，那么做成2輸入的是不是也可以的。原則上是可以的，但是如果我們實現的邏輯功能比較復雜的話，那么就會級聯特別長，延時就會很大。那做成1000輸入的話，是不是就好了，再復雜的話，都不用級聯。可是在設計時，我們做的不僅僅是復雜邏輯，還有很多的不復雜的，那么一個二輸入與門的設計也要占用一個1000輸入，那就得不償失了。所以經過衡量，最終設計者將輸入做成了4輸入的查找表。

經過不斷的發展，FPGA在各個場合的應用越來越多，所做的設計越來越復雜，要求的延遲越來越小。于是新出的FPGA系列擁有更多的輸入查找表。

在圖2-14中，后面還有一個時序邏輯器件。這個時序邏輯器件是FPGA廠商直接做到FPGA內部的，我們設計電路時，不需要設計，只需要調用出來即可。

由此，我們就可以實現組合邏輯和時序邏輯的一個小部分了。但是復雜的設計，往往是需要級聯的。

圖16 ：CYCLONE IV的IO單元

在IO單元中，我們可以發現整個IO單元可以被配置為輸入、輸出、輸入出。并且其中可以是否配置上拉電阻，以及電路延遲等等功能。

FPGA的IO數量較多，在需要同時控制多個外設時，不需要級聯，一致性會比較好。

圖17 ：CYCLONE IV E的某塊FPGA的IO供電bank

在FPGA中，內部邏輯運行是一種電壓。輸入輸出被分為了好多個塊（bank），每一個塊都可以有自己的電平標準，這就讓FPGA可以在不用轉換電路的情況下，驅動多個不同電壓標準的接口。

在圖17中可以看到FPGA的內部邏輯電壓相對較低，所以FPGA的功耗也相對較低。

通過上述的三種結構，一個簡單的FPGA芯片就可以實現了。

在FPGA應用時，我們發現經常用到一些緩存和特殊電路，并且對這些電路的要求比較高，用FPGA實現不太現實。那么FPGA就會將其集成到FPGA內部，用大量的互聯資源引出接口，供給內部邏輯進行控制或者通信。

設計者可以利用FPGA的資源實現CPU的功能，構成SOPC。

現在的很多FPGA將ARM的硬核放入到自己內部，構成SOC。

本文只是簡單介紹FPGA內部結構，后續在設計時，需要詳細了解結構時，會單獨列出來詳細講解。有興趣的同學可以自己查詢FPGA的介紹文檔。

FPGA是一種芯片，有很多的廠商都在生產和銷售，下面簡要介紹幾個廠家以及他們的芯片。

• Intel FPGA Altera公司(阿爾特拉)自二十年前發明世界上第一個可編程邏輯器件開始，秉承了創新的傳統，是世界上“可編程芯片系統”（SOPC）解決方案倡導者。Altera結合帶有軟件工具的可編程邏輯技術、知識產權（IP）和技術服務，在世界范圍內為14,000多個客戶提供高質量的可編程解決方案。我們新產品系列將可編程邏輯的內在優勢——靈活性、產品及時面市——和更高級性能以及集成化結合在一起，專為滿足當今大范圍的系統需求而開發設計。

  在2015年12月Intel斥資167億美元收購Altera公司。至此，我們將Altera FPGA更名為Intel FPGA。

  Intel FPGA的主流FPGA分為兩大類，一種側重低成本應用，容量中等，性能可以滿足一般的邏輯設計要求，如Cyclone系列；還有一種側重于高性能應用，容量大，性能能滿足各類高端應用，如Startix、Arria系列等，用戶可以根據自己實際應用要求進行選擇。在性能可以滿足的情況下，優先選擇低成本器件。

• Xilinx FPGA Xilinx(賽靈思)是全球領先的可編程邏輯完整解決方案的供應商。Xilinx研發、制造并銷售范圍廣泛的高級集成電路、軟件設計工具以及作為預定義系統級功能的IP(Intellectual Property)核。客戶使用Xilinx及其合作伙伴的自動化軟件工具和IP核對器件進行編程，從而完成特定的邏輯操作。

  Xilinx的主流FPGA分為兩大類，一種側重低成本應用，容量中等，性能可以滿足一般的邏輯設計要求，如Spartan系列;還有一種側重于高性能應用，容量大，性能能滿足各類高端應用，如Virtex系列，用戶可以根據自己實際應用要求進行選擇。在性能可以滿足的情況下，優先選擇低成本器件。

  繼Xilinx正式向外界發布其推出全球首顆28nm制程的Kintex-7后，該公司推出7系列四款芯片Artix-7、Kintex-7、Virtex-7和Zynq的FPGA芯片,以及圍繞7系列的開發資源。

• Actel FPGA ACTEL公司成立于1985年，位于美國紐約。之前的20多年里，ACTEL一直效力于美國軍工和航空領域，并禁止對外出售。國內一些特殊領域的企業都是采用其它途徑購買軍工級型號。目前ACTEL開始逐漸轉向民用和商用，除了反熔絲系列外，還推出可重復擦除的ProASIC3系列(針對汽車、工業控制、軍事航空行業)。

• Lattice FPGA 萊迪思(Lattice)半導體公司提供業界最廣范圍的現場可編程門陣列(FPGA)、可編程邏輯器件(PLD)及其相關軟件，包括現場可編程系統芯片(FPSC)、復雜的可編程邏輯器件(CPLD),可編程混合信號產品(ispPAC?)和可編程數字互連器件(ispGDX?)。

• 國產FPGA 京微齊力、西安智多晶微電子、紫光國微、高云等等，他們都擁有自己的FPGA系列芯片。

FPGA的廠商有很多，但是基本的內部結構和開發流程是比較接近了，只要掌握一種FPGA的開發方式，其他的FPGA開發就會容易上手很多。

目前學習FPGA設計，使用INTEL FPGA和Xilinx FPGA的居多，這兩家的FPGA芯片也是應用最多的。

系統設計師可以根據需要通過可編輯的連接把FPGA內部的邏輯塊連接起來，就好像一個電路試驗板被放在了一個芯片里。一個出廠后的成品FPGA的邏輯塊和連接可以按照設計者而改變，所以FPGA可以完成所需要的邏輯功能。

FPGA的特點有以下幾點：

采用FPGA設計ASIC電路(專用集成電路)，用戶不需要投片生產，就能得到合用的芯片。

• FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。

• FPGA內部有豐富的觸發器和I/O引腳。

• FPGA是ASIC電路中設計周期最短、開發費用最低、風險最小的器件之一。

• FPGA采用高速CMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。

可以說，FPGA芯片是小批量系統提高系統集成度、可靠性的最佳選擇之一。

FPGA的應用大可分為以下幾種：

數據采集領域：自然界的大部分信號是模擬信號，在高速采集時，信息無法直接傳入MCU或者DSP。此時，需要FPGA進行一定的轉換和速率匹配。

邏輯接口領域：CPU在于外界通信時，需要各種專門的接口，而接口電路所引入的接口電路很龐大。加入FPGA，就可以CPU與FPGA做單獨通信，由FPGA實現其他各種接口的擴展。

電平接口領域：不同的器件支持的電平不盡相同，如果需要連接各種接口時，就需要各種接口標準或者轉換電路。對于FPGA來說，FPGA分為不同的BANK，可以直接支持不同的電平標準。

數字信號處理領域：通信、圖像等領域近些年對計算量提出了更高的要求，FPGA支持并行計算，可以大大縮短計算的時間。

IC設計領域：IC在設計時，首先會使用FPGA設計出基礎的電路模型進行各種理論驗證，等驗證通過后，才會進行IC制造等等。

通過上述的敘述，了解FPGA內部都是使用等效電路實現功能，那么它的速度是不是趕不上ASIC？

既然要做對比，就要說明一部分情況。例：如果是同等工藝條件下，FPGA是沒有ASIC跑的快。各大FPGA廠商都是利用世界先進工藝做出的片子，如果某些應用類型公司嘗試利用的最先進工藝做片子，那么風險比較高，費用也比較昂貴，如果采用成熟工藝去做片子，那么asic的速度不一定會有FPGA速度快。

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