FPGA基礎知識簡介

FPGA基礎知識簡介

FPGA技術的發(fā)展歷史
縱觀數(shù)字集成電路的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了從電子管、晶體管、小規(guī)模集成電路到大規(guī)模以及超大規(guī)模集成電路等不同的階段。發(fā)展到現(xiàn)在，主要有3類電子器件：存儲器、處理器和邏輯器件。
存儲器保存隨機信息（電子數(shù)據(jù)表或數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容）；處理器執(zhí)行軟件指令，以便完成各種任務（運行數(shù)據(jù)處理程序或視頻游戲）；而邏輯器件可以提供特殊功能（器件之間的通信和系統(tǒng)必須執(zhí)行的其他所有功能）。

邏輯器件分成兩類：
① 固定的或定制的。
② 可編程的或可變的。

其中，固定的或定制的邏輯器件通常稱為專用芯片（ASIC）。ASIC是為了滿足特定的用途而設計的芯片，例如MP3解碼芯片等。其優(yōu)點是通過固化的邏輯功能和大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，降低了芯片的成本，同時提高了產(chǎn)品的可靠性。隨著集成度的提高，ASIC的物理尺寸也在不斷的縮小。
但是，ASIC設計的周期很長，而且投資大，風險高。一旦設計結束后，功能就固化了，以后的升級改版困難比較大。電子產(chǎn)品的市場正在逐漸細分，為了滿足快速產(chǎn)品開發(fā)，產(chǎn)生了現(xiàn)場可編程邏輯器件（FPGA）。
自1984年Xilinx公司推出了第一片現(xiàn)場可編程邏輯器件（FPGA）至今，F(xiàn)PGA已經(jīng)歷了20幾年的快速發(fā)展歷程。特別是近幾年來，更是發(fā)展迅速。FPGA的邏輯規(guī)模已經(jīng)從最初的1000個可用門發(fā)展到現(xiàn)在的1000萬個可用門。
FPGA技術之所以具有巨大的市場吸引力，其根本原因在于：FPGA不僅可以解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性等問題，而且其開發(fā)周期短、投入少，芯片價格不斷下降。FPGA正在越來越多地取代傳統(tǒng)上ASIC，特別是在小批量、個性化的產(chǎn)品市場方面。

FPGA技術的發(fā)展動向
隨著芯片設計工藝水平的不斷提高，F(xiàn)PGA技術呈現(xiàn)出了以下4個主要的發(fā)展動向。

1．基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)（SoPC）技術正在成熟
System on Chip（SoC）技術在芯片設計領域被越來越廣泛地采用，而SoPC技術是SoC技術在可編程器件領域的應用。這種技術的核心是在FPGA芯片內(nèi)部構建處理器。Xilinx公司主要提供基于Power PC的硬核解決方案，而Altera提供的是基于NIOSII的軟核解決方案。
Altera公司為NIOSII軟核處理器提供了完整的軟硬件解決方案，可以讓客戶短時間完成SoPC系統(tǒng)的構建和調(diào)試工作。

2．FPGA芯片向高性能、高密度、低壓和低功耗的方向發(fā)展
隨著芯片生產(chǎn)工藝不斷提高，F(xiàn)PGA芯片的性能和密度都在不斷提高。早期的FPGA主要是完成接口邏輯設計，比如AD/DA和DSP的粘合邏輯。現(xiàn)在的FPGA正在成為電路的核心部件，完成關鍵功能。
在高性能計算和高吞吐量I/O應用方面，F(xiàn)PGA已經(jīng)取代了專用的DSP芯片，成為最佳的實現(xiàn)方案。因此，高性能和高密度也成為衡量FPGA芯片廠家設計能力的重要指標。
隨著FPGA性能和密度的提高，功耗也逐漸成為了FPGA應用的瓶頸。雖然FPGA比DSP等處理器的功耗低，但是要明顯高于專用芯片（ASIC）的功耗。FPGA的廠家也在采用各種新工藝和技術來降低FPGA的功耗，并且已經(jīng)取得了明顯的效果。
例如，Altera公司的StratixIII系列FPGA的功耗比上一代產(chǎn)品StratixII系列降低了50%以上。

3．基于IP庫的設計方法
未來的FPGA芯片密度不斷提高，傳統(tǒng)的基于HDL的代碼設計方法很難滿足超大規(guī)模FPGA的設計需要。隨著專業(yè)的IP庫設計公司不斷增多，商業(yè)化的IP庫種類會越來越全面，支持的FPGA器件也會越來廣泛。
作為FPGA的設計者，主要的工作是找到適合項目需要的IP庫資源，然后將這些IP整合起來，完成頂層模塊設計。由于商業(yè)的IP庫都是通過驗證的，因此整個項目的仿真和驗證工作主要就是驗證IP庫的接口邏輯設計的正確性。
目前，由于國內(nèi)的知識產(chǎn)權保護的相關法律法規(guī)還不盡完善，基于IP庫的設計方法還沒有得到廣泛應用。但是隨著FPGA密度不斷提高和IP庫的價格逐漸趨于合理化，這種設計方法將會成為主流的FPGA設計技術。

4．FPGA的動態(tài)可重構技術
FPGA動態(tài)重構技術主要是指對于特定結構的FPGA芯片，在一定的控制邏輯的驅(qū)動下，對芯片的全部或部分邏輯資源實現(xiàn)高速的功能變換，從而實現(xiàn)硬件的時分復用，節(jié)省邏輯資源。
由于密度不斷提高，F(xiàn)PGA能實現(xiàn)的功能也越來越復雜。FPGA全部邏輯配置一次的需要的時間也變長了，降低了系統(tǒng)的實時性。局部邏輯的配置功能可以實現(xiàn)“按需動態(tài)重構”，大大提高了配置的效率。

動態(tài)可重構的FPGA可以在系統(tǒng)運行中對電路功能進行動態(tài)配置，實現(xiàn)硬件的時分復用，節(jié)省了資源，主要適用于以下兩個系統(tǒng)設計。
① 最新通信系統(tǒng)。
FPGA的動態(tài)重構特性可以適應不同體制和不同標準的通信要求，滿足軟件無線電技術的發(fā)展和第三代（3G）和第四代（4G）移動通信系統(tǒng)的需要。
② 重構計算機：FPGA具有并行處理能力和動態(tài)配置能力，可自動改變硬件來適應正在運行的程序，產(chǎn)生了基于這種軟硬件環(huán)境的全新概念的計算機。