1 什么是 FPGA

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。

2 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（随机存取存储器Random Access Memory）。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：

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 1.1- 1 Y=A&B&C 真值表

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。