初学者必须要知道的FPGA基础知识

明德扬周老师

一、FPGA是什么？

在《FPGA至简设计原理与应用》一书里是这样描述的：『FPGA的全称为Field-Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列。在开始学习FPGA之前，同学们首先应该清楚地了解FPGA的概念，明白FPGA到底是什么东西，可以用来做什么。FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。简而言之，FPGA就是一个可以通过编程来改变内部结构的芯片。

直观来说，FPGA就是一个可以“改变”内部结构的芯片，而让这个芯片来实现怎样的功能，就需要通过编程即设计硬件描述语言，经过EDA工具编译、综合、布局布线成后转换为可烧录的文件，最终加载到FPGA器件中去，改变FPGA内部的连线，最终完成所实现的功能。此时的FPGA就可以认为是用来实现具体功能的一个粗糙的芯片。

稍微接触过硬件的人大概都听说过另一种集成电路芯片即单片机，那么FPGA与单片机在结构上有着怎样的差别呢？对于单片机而言，FPGA是一种微处理器，类似于电脑的CPU，一般是基于哈佛总线结构或者冯·诺依曼结构。单片机用途广泛，多用于控制流水线上；FPGA的结构是查找表，它的结构比较复杂，相对应的它可以实现的功能也很强大，一般应用于通信接口设计、数字信号处理等比较高端的场合，而且FPGA还有一个特殊的应用场合，即ASIC的原型验证。

相较于专职专用的ASIC，FPGA工具在开发难度上降低了许多，并且大大缩短了开发周期，而且由于FPGA是可重复编程的，其研发成本与风险也要比ASIC减少许多，更适用于复杂多变的数据中心等应用。

但是FPGA也不是万能的，优势有时候也是劣势。虽然FPGA相比于单片机、CPU等集成电路芯片拥有效率更高、功耗更低的特点，但是易于开发程度远远不如单片机、CPU；在数字芯片设计领域，FPGA虽然相比ASIC具有更短的开发周期与开发难度，但是其存在着成本过高、性能较差并且在资源的利用率上远不及ASIC等问题，不能真正的替代ASIC。』

这段描述非常的接地气且通俗易懂，但从另一个层面来讲，FPGA对于不同的人有不同的意义。FPGA有多种类型，每一种类型具有不同的功能和组合。

二、FPGA的基本结构

FPGA可编程的特性决定了其实现数字逻辑的结构不能像专用ASIC那样通过固定的逻辑门电路来完成，而只能采用一种可以重复配置的结构来实现，而查找表(LUT)可以很好地满足这一要求，目前主流的FPGA芯片仍是基于SRAM工艺的查找表结构。

在任意一款FPGA芯片说明书中可以查看到该器件具体的参数指标，其中包含可编程逻辑模块的数量、固定功能逻辑模块（如乘法器）的数目及存储器资源（如嵌入式RAM）的大小。当然仅仅依靠这些结构是构成不了FPGA的基本结构的，在芯片中还有其他众多部分，但是在比较FPGA时，上述结构是最重要的参考指标。在最底层的可配置逻辑模块（如片上的逻辑单元）上，存在着基本的两种部件：触发器和查找表（LUT），而触发器和查找表的组合方式不同，是各个FPGA家族之间区别的重要依据，并且查找表本身的结构也可能各不相同（有4输入或6输入或其他）。

查找表（Look-Up-Table）简称为LUT，其本质上就是一个RAM。目前FPGA内部中多使用4输入的LUT，每一个LUT可以看成一个有4位地址线的RAM。当用户在EDA工具上通过原理图或硬件描述语言设计了一个逻辑电路以后，FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把真值表（即结果）事先写入RAM中。这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查找表操作，通过地址找到对应的RAM中的结果，最后将其输出。

以实现数字逻辑Y=A&B&C的功能为例。如果是在专用ASIC中，为了实现该逻辑，逻辑门都已经事先确定好，Y的输出值为两个逻辑与运算后的结果，其基本的实现结构如下图所示：

图 1 Y=A&B&C的实现结构

而在FPGA的结构中若要实现同样的逻辑功能，用户首先在EDA工具中使用硬件描述语言设计出“Y=A&B&C”逻辑代码，EDA工具（QUARTUS或其他开发工具）分析这一行代码，得出A、B、C在不同输入组合下（共8种），Y的值分别是多少，其真值表如下表所示：

表1   Y=A&B&C真值表

A	B	C	Y
0	0	0	0
0	0	1	0
0	1	0	0
0	1	1	0
1	0	0	0
1	0	1	0
1	1	0	0
1	1	1	1

然后软件工具将所有的结果写到查找表上，从而实现了该代码的功能。下图就是FPGA的实现基本结构。查找表就类似于一个RAM，输入A、B、C则相当于地址，通过A、B、C的地址就得读到值赋给Y并输出。

图2  Y=A&B&C的FPGA实现基本结构

三、更为复杂的FPGA架构

1985，赛灵思公司推出了第一块FPGA芯片—XC2064，最初的FPGA包含了8×8=64的逻辑块阵列和85000个晶体管，其门电路不超过1000个，且每个逻辑块由一个四输入的查找表和其它一些简单功能模块构成。FPGA诞生之初由于其容量非常有限，因此只能用来执行一些相对简单的任务，如用来集中一些胶合逻辑或实现基本的状态机。而在22年后，FPGA行业两大巨头Xilinx和Altera公司纷纷推出了采用最新65nm工艺的FPGA产品，其门数量已经达到千万级，晶体管个数更是超过10亿个。在这22年间，FPGA在紧跟半导体工艺进步的同时也推动了半导体的发展进程——2001年采用150nm工艺、2002年采用130nm工艺，2003年采用90nm工艺，2006年采用65nm工艺，而目前最新推出的FPGA产品更是已经使用上10nm工艺。随着技术的发展和工艺节点的进步，FPGA的容量和性能在不断提高的同时，其功耗却不断的优化减少。2006年以前四输入查找表一直被广泛使用，在一些高端器件可能会用上六输入、八输入或更多输入端口的查找表。而一个多输入的查找表又可以分解成较小输入的查找表，即能够分裂成许多更小的功能。例如一个八输入的查找表可以分解成两个四输入的查找表或分解成一个三输入加一个五输入的查找表。在实际的高端器件中，这种可编程构造可以描述相当于百万级（有时甚至千万级）的原始逻辑门。

在FPGA内部，有着“软内核”与“硬内核”之分。比如若利用FPGA的可编程性在芯片内部构造实现了一个计数器逻辑，那么在构造计数器逻辑过程中使用到的功能便可以被称为“软功能”，又称之为软内核。而如果某个功能若是直接利用芯片实现的，则是利用了芯片内部的“硬功能”，一般又称之为硬内核。软内核与硬内核之间优势互补，软内核的优势在于可以在利用芯片资源的基础上利用编程设计让其完成需要实现的任何功能（注意是数字功能，不包括模拟功能）。而硬内核由于是实现固定功能的器件，因此其优势在于资源利用率高且功耗较低，占用硅片的面积也较小，并具有较高的性能。而两者最重要的区别在于：与软内核相比硬内核可用于实现模拟功能，例如锁相环的倍频功能，这个功能需要在模拟电路下实现，所以这一部分是在FPGA内部用硬件来实现的。

四、带嵌入式处理器的FPGA

在上文中提到“软内核”与“硬内核”的概念，而利用FPGA的可编程构造实现的事情之一即为使用其中的一部分数字逻辑资源制作一个或多个软处理器内核，当然，也可以实现不同规模的处理器。举例来说，可以创建一个或多个8位的处理器加上一个或多个16位或32位的软处理器，而所有处理器都在同一器件中。

而如果FPGA供应商希望提供一个占用较少硅片面积、消耗较低功率但性能更高的处理器，解决方案是将其实现为硬内核。如果需要高速、高性能的处理器，并且需要实现逻辑编程时，传统的方法是在电路板上放置处理器(如ARM、DSP等)和FPGA，ARM或者DSP工程师实现软件部分，FPGA工程师实现可编程逻辑部分，两者协同合作。现在最新的方案是使用ZYNQ一个芯片以更低的功耗、更高的速度实现以上功能。在2010年4月硅谷举行的嵌入式系统大会上，赛灵思发布了可扩展处理平台的架构详情，这款基于无处不在的ARM处理器的SoC可满足复杂嵌入式系统的高性能、低功耗和多核处理能力要求。赛灵思可扩展处理平台芯片硬件的核心本质就是将通用基础双ARM Cortex-A9MP Core处理器系统作为“主系统”，结合低功耗28nm工艺技术，以实现高度的灵活性、强大的配置功能和高性能。由于该新型器件的可编程逻辑部分基于赛灵思28nm 7系列FPGA，因此该系列产品的名称中添加了“7000”，以保持与7系列FPGA的一致性，同时也方便日后本系列新产品的命名。

考虑下面所示这个例子：

图3 一种新的SoC FPGA

这个芯片完全以硬内核方式实现的双路ARM Cortex-A9微控制器子系统（运行时钟高达1GHz，包含浮点引擎，片上缓存，计数器，定时器等）以及种类广泛的硬内核接口功能（SPI，I2C，CAN等），还有一个硬内核的动态内存控制器，所有这些组件都利用大量传统的可编程构造和大量的通用输入输出（GPIO）引脚进行了性能增强。

如果是ZYNQ单芯片方案，是不是意味着只需要软件工程师或者FPGA工程师独立工作就可以了呢？笔者目前所了解的情况是：FPGA工程师负责搭建周边电路，如ARM的接口、时钟配置等，还负责可编程逻辑部分的开发。而软件部分仍然还是软件工程师负责。其主要原因在于FPGA逻辑开发和软件开发都是专业性比较强的技能，非常少的工程师能同时掌握这两个技能。当然，这里说的掌握性能，是专业性的、能应用到企业项目的技能，只是接触一下的不算。

五、数据存储以及配置方式

在FPGA内部存在着存储单元片内RAM块，数据是存放在RAM中并由其来设置工作状态的，若想要FPGA进行工作，就需要对片内RAM进行编程。而如果外部有大量数据交互时，就要通过增加外设来对数据进行暂时性的存储，如SDRAM存储器或者DDR3存储器，暂存在外设中的数据最终也是要通过FPGA内部的RAM进行存储与处理。当在EDA工具上将程序设计完成之后，便需要将软件上的程序烧录进FPGA内部。通过不同的配置模式，FPGA便会有不同的编程方式。

以下为常用的几种配置模式：

1、并行模式：通过并行PROM、Flash配置FPGA；

2、主从模式：使用一片PROM配置多片FPGA；

3、串行模式：串行PROM配置FPGA；

4、外设模式：将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。

目前，主流的FPGA都是基于SRAM工艺的，在大部分的FPGA开发板上，使用的都是串行配置模式。由于SRAM掉电就会丢失内部数据，因此往往都会外接一个能够掉电保存数据的片外存储器以保存程序。这样一来，上电时FPGA便将外部存储器中的数据读入片内RAM以完成配置，对FPGA编程完成后便进入工作状态；掉电后FPGA内部SRAM中存储的数据丢失，逻辑清零。以这种方式配置FPGA不仅能反复使用，还无需重复的手动配置。完成一次主动配置之后每次上电便会自动的实现FPGA的内部编程。

更加详细的介绍也可参考《FPGA至简设计原理与应用》一书，并可提供配套的视频教程和免费的答疑服务，答疑服务请加群：764574006。

六、为什么使用FPGA呢？

计算机应用是多种多样的，最适合于应用的方法也会因应用而异，其中包括现成的微处理器(MPU)和微控制器(MCU)、现成的图形处理单元(GPU)、FPGA和自定义片中系统(SOC)装置。要决定使用哪种方法，需要根据具体的应用需求来综合考虑。

举例来说，在研究诸如5G基站这样的尖端技术时，设计者需要考虑的是，基础标准和协议还在不断地发展。这就是说，设计者需要能够迅速、有效地应对任何超出控制范围的规范变更。

类似地，它们需要能够灵活地对系统部署到现场之后发生的标准和协议变化作出反应。另外，他们还必须能够应对系统功能中出现的意外错误或系统安全漏洞，通过修改已有功能或增加新功能来延长系统寿命。

虽然最好的性能通常由SoC提供，但是这种方法非常昂贵和耗费时间。此外，任何在芯片结构中实现的算法本质上都是“冻结在硅片中”。基于以上考虑，这种固有的不灵敏性便成为一个问题。要寻找性能和灵活性的最佳平衡，就需要另一种途径。这一途径通常由FPGA，微处理器/微控制器和FPGA的结合，或者以硬处理器内核为部分结构的FPGA提供。

FPGA适用于各种不同的应用，随着技术的发展，现在FPGA普遍适用于实现智能接口功能、电机控制、算法加速和高性能计算(HPC)、图像和视频处理、机器视觉、人工智能、机器学习 (ML)、深度学习(DL)、雷达、激光波束、基站和通信等领域 。

七、哪些公司生产FPGA？

行业三巨头：ALTREA(现已被INTEL收购)、XILINX(即将被AMD完成收购)、LATTICE。

有两个主要的制造商生产高容量和高性能的器件，分别是。

Intel(收购Altera)和Xilinx覆盖了从低端FPGA到高端SoCFPGA, 在高容量和高性能的器件方面此两家也提供了多种产品。

而Lattice则是几乎完全专注于面向中低端应用的FPGA供应商。

其次，MicrochipTechnology(通过收购Actel,Atmel和Microsemi公司)，现在可以提供多系列的中小型FPGA和低端SoCFPGA类产品。

由于FPGA有很多的产品系列，每一个都提供了不同的资源，性能，容量 和封装风格等，所以在项目开始器件选型阶段的工作也是有一定难度的。

八、FPGA的设计流程

FPGA的设计流程就是利用EDA开发软件和编程工具对FPGA芯片进行开发的过程。原理图和HDL(Hardware descriptionlanguage，硬件描述语言)是两种最常用的数字硬件电路描述方法。其中，运用HDL设计方法具有更好的移植性、通用性以及利于模块划分的特点，在工作学习中被广泛使用。典型FPGA的开发流程一般如下图所示，其包括功能定义/器件选型、设计输入、功能仿真、综合优化、综合后仿真、实现、布线后仿真、板级仿真以及芯片编程与调试等主要步骤。

图4  典型FPGA的开发流程

更多介绍详见《FPGA至简设计原理与应用》书籍及配套视频。