FPGA是一種以數(shù)字電路為主的集成芯片,屬于可編程邏輯器件（Programmable Logic Device，PLD）的一種；FPGA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)。

本教程操作環(huán)境：windows7系統(tǒng)、Dell G3電腦。

fpga是什么

FPGA（Field Programmable Gate Array）是在PAL （可編程陣列邏輯）、GAL（通用陣列邏輯）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)。

FPGA本質(zhì)也是一種芯片，是一種以數(shù)字電路為主的集成芯片。

FPGA于 1985 年由 Xilinx 創(chuàng)始人之一 Ross Freeman 發(fā)明，屬于可編程邏輯器件（Programmable Logic Device，PLD）的一種。這個(gè)時(shí)間比著名的摩爾定律出現(xiàn)的時(shí)間晚 20 年左右，但是 FPGA 一經(jīng)發(fā)明，后續(xù)的發(fā)展速度之快，超出大多數(shù)人的想象。

圖 1 中給出了 FPGA 芯片的實(shí)物圖：

圖 1 FPGA芯片實(shí)物圖

FPGA 發(fā)展歷程

在 PLD 未發(fā)明之前，工程師使用包含若干個(gè)邏輯門的離散邏輯芯片進(jìn)行電路系統(tǒng)的搭建，復(fù)雜的邏輯功能實(shí)現(xiàn)起來較為困難。

為了解決這一問題，20 世紀(jì) 70 年代，可編程邏輯陣列（Programmable Logic Array，PLA）問世，PLA 中包含了一些固定數(shù)量的與門、非門，分別組成了“與平面”和“或平面”，即“與連接矩陣”和“或連接矩陣”，以及僅可編程一次的連接矩陣（因?yàn)榇颂幘幊淌腔谌劢z工藝的），因此可以實(shí)現(xiàn)一些相對復(fù)雜的與、或多項(xiàng)表達(dá)式的邏輯功能，PLA 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 2 所示：

圖 2 PLA內(nèi)部結(jié)構(gòu)

與 PLA 同時(shí)問世的還有可編程只讀存儲器（Programmable Read-Only Memory，PROM），其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。與 PLA 相同，PROM 內(nèi)部包含“與連接矩陣”和“或連接矩陣”，但是與門的連接矩陣是硬件固定的，只有或門的連接矩陣可編程。

圖 3 PROM內(nèi)部結(jié)構(gòu)

若只有與門的連接矩陣可編程，而或門的連接矩陣是硬件固定的，那么這種芯片叫作可編程陣列邏輯器件（Programmable Array Logic，PAL），根據(jù)輸出電路工作模式的不同，PAL 可分為三態(tài)輸出、寄存器輸出、互補(bǔ)輸出，但 PAL 仍使用熔絲工藝，只可編程一次。PAL 的結(jié)構(gòu)圖如圖 4 所示。

圖 4 PAL結(jié)構(gòu)圖

在 PAL 的基礎(chǔ)上，又發(fā)展出了通用陣列邏輯器件（Generic Array Logic，GAL），相比于 PAL，GAL 有兩點(diǎn)改進(jìn)：

• 采用了電可擦除的 CMOS 工藝，可多次編譯，增強(qiáng)了器件的可重配置性和靈活性；
• 采用了可編程的輸出邏輯宏單元（Output Logic Macro Cell，OLMC），通過編程 OLMC 可將 GAL 的輸出設(shè)置成不同狀態(tài)，僅用一個(gè)型號的GAL就可以實(shí)現(xiàn)所有PAL器件輸出電路的工作模式，增強(qiáng)了器件的通用性。

GAL 的結(jié)構(gòu)圖如圖 5 所示：

圖 5 GAL結(jié)構(gòu)圖

早期的 PLD 主要由上述四種類型的芯片組成，即 PROM、PLA、PAL 和 GAL。它們的共同特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)速度特性較好的邏輯功能，但由于其結(jié)構(gòu)過于簡單，所以只能實(shí)現(xiàn)規(guī)模較小的數(shù)字電路。

隨著科技的發(fā)展、社會的進(jìn)步，人們對芯片的集成度要求越來越高。早期的 PLD 產(chǎn)品不能滿足人們的需求，復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）誕生。可以把 CPLD 看作 PLA 器件結(jié)構(gòu)的延續(xù)，一個(gè) CPLD 器件也可以看作若干個(gè) PLA 和一個(gè)可編程連接矩陣的集合。CPLD 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 6 所示。

圖 6 CPLD結(jié)構(gòu)圖

FPGA 比 CPLD 早幾年問世，與 CPLD 并稱為高密度可編程邏輯器件，但它們有著本質(zhì)的區(qū)別。FPGA 芯片的內(nèi)部架構(gòu)并沒有沿用類似 PLA 的結(jié)構(gòu)，而是采用了邏輯單元陣列（Logic Cell Array，LCA）這樣一個(gè)概念，改變了以往 PLD 器件大量使用與門、非門的思想，主要使用查找表和寄存器。

除此之外，F(xiàn)PGA 和 CPLD 在資源類型、速度等方面也存在差異，如下表所示。

FPGA 的類型從內(nèi)部實(shí)現(xiàn)機(jī)理來講，可以分為基于 SRAM 技術(shù)、基于反熔絲技術(shù)、基于 EEPROM/Flash 技術(shù)。就電路結(jié)構(gòu)來講，F(xiàn)PGA 可編程是指三個(gè)方面的可編程：可編程邏輯塊、可編程 I/O、可編程布線資源?？删幊踢壿媺K是 FPGA 可編程的核心，我們上面提到的三種技術(shù)也是針對可編程邏輯塊的技術(shù)。

FPGA 的結(jié)構(gòu)圖如圖 7 所示。

圖 7 FPGA結(jié)構(gòu)圖

FPGA 的技術(shù)優(yōu)勢

許多讀者都知道 FPGA 功能強(qiáng)大，但它強(qiáng)大在哪兒？

以單片機(jī)舉例說明，我們都知道，單片機(jī)功能強(qiáng)大，幾乎無所不能，而 FPGA 與之相比只強(qiáng)不弱。因?yàn)橹灰獑纹瑱C(jī)能實(shí)現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA 就一定能實(shí)現(xiàn)，當(dāng)然這需要加一個(gè)大前提——在 FPGA 資源足夠多的情況下。但是 FPGA 能實(shí)現(xiàn)的功能，單片機(jī)卻不一定能夠輕松實(shí)現(xiàn)，這是不爭的事實(shí)，如果你不相信，那只能說明你還不了解 FPGA。

說到這里，讀者不禁要問，既然 FPGA 這么厲害，為什么單片機(jī)的使用范圍更廣？那是因?yàn)樵谏虡I(yè)中，價(jià)格往往是影響產(chǎn)品的重要因素之一。

單片機(jī)的價(jià)格要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 FPGA，而且根據(jù)性能和資源的不同，F(xiàn)PGA 的價(jià)格也存在很大差異，單枚 FPGA 芯片的價(jià)格從幾十元到幾十萬元不等。與之相比，單片機(jī)的價(jià)格要便宜很多，同樣的功能我們?nèi)绻梢杂脙r(jià)格低廉的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，就不會選擇相對昂貴的 FPGA 了，除非單片機(jī)滿足不了功能需求。所以公司自己進(jìn)行開發(fā)時(shí)，為了節(jié)約成本，可能會選擇更加便宜的單片機(jī)，而不會選擇相對昂貴的 FPGA，因?yàn)閱纹瑱C(jī)、ARM 這種微處理器的需求量很大，所以價(jià)格上更有優(yōu)勢。

但無論是單片機(jī)、ARM 還是 FPGA，它們都只是一種幫助我們實(shí)現(xiàn)功能的工具，具體如何選擇，需要根據(jù)具體問題具體分析。總之，沒有萬能的工具，只有符合生產(chǎn)需求的工具。我們不應(yīng)對某種工具存在偏見，要綜合考慮。同樣，當(dāng)你了解得