FPGA基础知识简介

FPGA基础知识简介

FPGA技术的发展历史
纵观数字集成电路的发展历史，经历了从电子管、晶体管、小规模集成电路到大规模以及超大规模集成电路等不同的阶段。发展到现在，主要有3类电子器件：存储器、处理器和逻辑器件。
存储器保存随机信息（电子数据表或数据库的内容）；处理器执行软件指令，以便完成各种任务（运行数据处理程序或视频游戏）；而逻辑器件可以提供特殊功能（器件之间的通信和系统必须执行的其他所有功能）。

逻辑器件分成两类：
① 固定的或定制的。
② 可编程的或可变的。

其中，固定的或定制的逻辑器件通常称为专用芯片（ASIC）。ASIC是为了满足特定的用途而设计的芯片，例如MP3解码芯片等。其优点是通过固化的逻辑功能和大规模的工业化生产，降低了芯片的成本，同时提高了产品的可靠性。随着集成度的提高，ASIC的物理尺寸也在不断的缩小。
但是，ASIC设计的周期很长，而且投资大，风险高。一旦设计结束后，功能就固化了，以后的升级改版困难比较大。电子产品的市场正在逐渐细分，为了满足快速产品开发，产生了现场可编程逻辑器件（FPGA）。
自1984年Xilinx公司推出了第一片现场可编程逻辑器件（FPGA）至今，FPGA已经历了20几年的快速发展历程。特别是近几年来，更是发展迅速。FPGA的逻辑规模已经从最初的1000个可用门发展到现在的1000万个可用门。
FPGA技术之所以具有巨大的市场吸引力，其根本原因在于：FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、投入少，芯片价格不断下降。FPGA正在越来越多地取代传统上ASIC，特别是在小批量、个性化的产品市场方面。

FPGA技术的发展动向
随着芯片设计工艺水平的不断提高，FPGA技术呈现出了以下4个主要的发展动向。

1．基于FPGA的嵌入式系统（SoPC）技术正在成熟
System on Chip（SoC）技术在芯片设计领域被越来越广泛地采用，而SoPC技术是SoC技术在可编程器件领域的应用。这种技术的核心是在FPGA芯片内部构建处理器。Xilinx公司主要提供基于Power PC的硬核解决方案，而Altera提供的是基于NIOSII的软核解决方案。
Altera公司为NIOSII软核处理器提供了完整的软硬件解决方案，可以让客户短时间完成SoPC系统的构建和调试工作。

2．FPGA芯片向高性能、高密度、低压和低功耗的方向发展
随着芯片生产工艺不断提高，FPGA芯片的性能和密度都在不断提高。早期的FPGA主要是完成接口逻辑设计，比如AD/DA和DSP的粘合逻辑。现在的FPGA正在成为电路的核心部件，完成关键功能。
在高性能计算和高吞吐量I/O应用方面，FPGA已经取代了专用的DSP芯片，成为最佳的实现方案。因此，高性能和高密度也成为衡量FPGA芯片厂家设计能力的重要指标。
随着FPGA性能和密度的提高，功耗也逐渐成为了FPGA应用的瓶颈。虽然FPGA比DSP等处理器的功耗低，但是要明显高于专用芯片（ASIC）的功耗。FPGA的厂家也在采用各种新工艺和技术来降低FPGA的功耗，并且已经取得了明显的效果。
例如，Altera公司的StratixIII系列FPGA的功耗比上一代产品StratixII系列降低了50%以上。

3．基于IP库的设计方法
未来的FPGA芯片密度不断提高，传统的基于HDL的代码设计方法很难满足超大规模FPGA的设计需要。随着专业的IP库设计公司不断增多，商业化的IP库种类会越来越全面，支持的FPGA器件也会越来广泛。
作为FPGA的设计者，主要的工作是找到适合项目需要的IP库资源，然后将这些IP整合起来，完成顶层模块设计。由于商业的IP库都是通过验证的，因此整个项目的仿真和验证工作主要就是验证IP库的接口逻辑设计的正确性。
目前，由于国内的知识产权保护的相关法律法规还不尽完善，基于IP库的设计方法还没有得到广泛应用。但是随着FPGA密度不断提高和IP库的价格逐渐趋于合理化，这种设计方法将会成为主流的FPGA设计技术。

4．FPGA的动态可重构技术
FPGA动态重构技术主要是指对于特定结构的FPGA芯片，在一定的控制逻辑的驱动下，对芯片的全部或部分逻辑资源实现高速的功能变换，从而实现硬件的时分复用，节省逻辑资源。
由于密度不断提高，FPGA能实现的功能也越来越复杂。FPGA全部逻辑配置一次的需要的时间也变长了，降低了系统的实时性。局部逻辑的配置功能可以实现“按需动态重构”，大大提高了配置的效率。

动态可重构的FPGA可以在系统运行中对电路功能进行动态配置，实现硬件的时分复用，节省了资源，主要适用于以下两个系统设计。
① 最新通信系统。
FPGA的动态重构特性可以适应不同体制和不同标准的通信要求，满足软件无线电技术的发展和第三代（3G）和第四代（4G）移动通信系统的需要。
② 重构计算机：FPGA具有并行处理能力和动态配置能力，可自动改变硬件来适应正在运行的程序，产生了基于这种软硬件环境的全新概念的计算机。