什么是FPGA？

我們生活在一個(gè)由模擬構(gòu)成的世界中。不過，數(shù)字處理的出現(xiàn)，為我們體驗(yàn)這個(gè)世界并與之互動(dòng)帶來了全新的方式，包括衛(wèi)星導(dǎo)航、自動(dòng)駕駛汽車、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，當(dāng)然還有那永遠(yuǎn)都離不了身的手機(jī)。

要想實(shí)時(shí)或者準(zhǔn)實(shí)時(shí)地處理那么多信息，就必須要有強(qiáng)大的處理能力，這樣的處理能力顯然是受益于摩爾定律的。對(duì)于設(shè)計(jì)工程師而言，他們也可以從多種處理技術(shù)中來進(jìn)行選擇，以便將最合適的技術(shù)運(yùn)用到手邊的應(yīng)用中。這些處理技術(shù)涵蓋了傳統(tǒng)處理器、圖形處理單元（GPU）和可編程邏輯（PL）。

在上述處理技術(shù)中，可編程邏輯恐怕是最鮮為人知的一種，人們也往往認(rèn)為它是用起來最具挑戰(zhàn)性的處理技術(shù)之一。

No.1

可編程邏輯的優(yōu)勢(shì)可編程邏輯能夠讓用戶在真正意義上并行實(shí)現(xiàn)其算法和應(yīng)用，從而創(chuàng)造出更具有確定性、響應(yīng)更加迅速的解決方案，因而適用于需要實(shí)時(shí)處理和響應(yīng)的場(chǎng)景，例如視覺和信號(hào)處理以及雷達(dá)等。 傳統(tǒng)意義上，可編程邏輯器件可分為復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）與現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）兩種類別， 其中CPLD基于“門?！保╯ea-of-gate）的方式提供由寄存器和邏輯函數(shù)構(gòu)成的簡(jiǎn)單器件結(jié)構(gòu)。

至于FPGA，它提供的結(jié)構(gòu)要比CPLD更加復(fù)雜，通常還會(huì)包含多種專用硬件元件，例如存儲(chǔ)塊、數(shù)字信號(hào)處理、時(shí)鐘管理、千兆串行收發(fā)器和IO塊。

No.2

FPGA的構(gòu)成要素FPGA的基本構(gòu)成要素是查找表（LUT）、寄存器和靈活I(lǐng)O單元結(jié)構(gòu)，其中LUT能夠?qū)崿F(xiàn)邏輯方程式，而寄存器則為實(shí)現(xiàn)順序邏輯設(shè)計(jì)提供了必要的存儲(chǔ)元件。LUT和寄存器結(jié)合在一起，即可實(shí)現(xiàn)通常所說的“邏輯片”，其簡(jiǎn)單示例如（圖1）所示。現(xiàn)代器件中的這些邏輯片包含諸多選項(xiàng)，以便實(shí)現(xiàn)組合邏輯電路或時(shí)序邏輯電路，這些選項(xiàng)包括本地分布式內(nèi)存，以及可通過配置將LUT用作移位寄存器的功能。

圖1：簡(jiǎn)單的LUT結(jié)構(gòu)

在FPGA器件中，通常將兩個(gè)邏輯片組合在一起，形成可配置邏輯塊（CLB）。這些CLB相互連接，以便通過路由和交換矩陣實(shí)現(xiàn)必要的功能，如圖2所示。

圖2：可通過交換矩陣配置路由塊和互連

No.3

FPGA設(shè)計(jì)FPGA通常使用硬件描述語言（HDL）設(shè)計(jì)，其中最常見的兩種是Verilog和VHDL。和傳統(tǒng)的軟件語言相比，這些語言需要在更加低級(jí)的層面上定義設(shè)計(jì)，它們具體描述的是寄存器級(jí)別上的傳輸，例如實(shí)現(xiàn)狀態(tài)機(jī)、計(jì)數(shù)器等。VHDL和Verilog都固有地支持并發(fā)的概念，這是對(duì)FPGA架構(gòu)的并行架構(gòu)進(jìn)行建模所必需的。此外，通過高級(jí)綜合（HLS）使用C、C++或OpenCL等高級(jí)語言開發(fā)FPGA IP塊的做法也正變得越來越普遍。雖然這些語言并不支持并行，但工程師可以使用編譯器指令來指示并行結(jié)構(gòu)，而使用更高級(jí)的語言有助于工程師更快地完成開發(fā)和驗(yàn)證。 FPGA器件的IO結(jié)構(gòu)可以直接對(duì)接各種IO標(biāo)準(zhǔn)，包括LVCMOS等單端標(biāo)準(zhǔn)以及LVDS、TMDS等差分標(biāo)準(zhǔn)。但這種IO結(jié)構(gòu)的“技能”可遠(yuǎn)不止于此——現(xiàn)代化的IO結(jié)構(gòu)還可以實(shí)現(xiàn)片上端接、精細(xì)PS延遲，甚至SerDes結(jié)構(gòu)。也就是說，F(xiàn)PGA有效地提供了各種對(duì)接接口，連接起了各種標(biāo)準(zhǔn)、定制或傳統(tǒng)接口。這種靈活性還使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員擺脫了引腳綁定的束縛，這與使用帶固定IO引腳分配的專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP）有著顯著區(qū)別。 因此，要設(shè)計(jì)出可編程邏輯設(shè)計(jì)解決方案，需要執(zhí)行以下步驟：

合成 – 將HDL設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換為一系列邏輯方程，然后將其映射到目標(biāo)FPGA中可用的資源上。

放置 – 把合成工具確定的邏輯資源放置到目標(biāo)器件中的可用位置。

路由 – 使用路由和交換矩陣將設(shè)計(jì)中放置的邏輯資源互連，以實(shí)現(xiàn)最終應(yīng)用。

位文件 – 生成目標(biāo)FPGA的最終編程文件。

通過仿真，工程師可以確保他們實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)在功能上符合設(shè)計(jì)要求。他們可以創(chuàng)建激發(fā)RTL（寄存器傳輸級(jí)別）模塊的測(cè)試平臺(tái)，這些平臺(tái)可以提供輸入并監(jiān)視結(jié)果輸出，然后通過查看仿真波形來驗(yàn)證這些模塊的行為，如（圖3）所示?；蛘?，他們也可以編寫更復(fù)雜的測(cè)試平臺(tái)，用來檢查和驗(yàn)證輸出。

圖3：RTL仿真輸出

盡管FPGA在性能和接口上具有顯著優(yōu)勢(shì)，但開發(fā)基于FPGA的解決方案可能會(huì)比開發(fā)傳統(tǒng)軟件更加復(fù)雜。不過，我們有現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)工具，尤其是高級(jí)合成工具以及各種可以免費(fèi)獲取的知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并且現(xiàn)代化器件的功能也更加強(qiáng)大，這些都讓“FPGA更難開發(fā)”成為了歷史。

No.4

器件產(chǎn)品系列如果您還不熟悉FPGA的歷史，這里就先簡(jiǎn)單地介紹一下。FPGA是Ross Freeman和Bernard Vonderschmitt于1985年隨著XC2064的發(fā)布而發(fā)明的，這款FPGA先驅(qū)產(chǎn)品具有64個(gè)可配置邏輯塊。今天，Xilinx的現(xiàn)代化器件可為用戶提供893.8萬個(gè)系統(tǒng)邏輯單元、3840個(gè)DSP元件、76Mb塊內(nèi)存和90Mb的UltraRAM——這與最初的產(chǎn)品相比堪稱巨大飛躍。 當(dāng)然，上面提到的器件是Xilinx現(xiàn)階段最大型的FPGA產(chǎn)品，對(duì)許多應(yīng)用而言確實(shí)有點(diǎn)殺雞用牛刀了。為了幫助指導(dǎo)工程師選擇適合其應(yīng)用的FPGA，Xilinx提供了一系列FPGA和片上系統(tǒng)器件，這些器件能夠支持多個(gè)不同系列的各種解決方案。 Xilinx圍繞28nm節(jié)點(diǎn)開發(fā)了一系列成本優(yōu)化型產(chǎn)品，總共提供三個(gè)不同的器件系列，均針對(duì)不同的用戶需求進(jìn)行了優(yōu)化。

Spartan-7 FPGA：該系列是廣受歡迎的Spartan-6系列器件的后繼產(chǎn)品，可為開發(fā)人員提供比舊技術(shù)45nm節(jié)點(diǎn)更高的性能和更低的功耗。Spartan-7還經(jīng)過了I/O優(yōu)化，在成本優(yōu)化的FPGA產(chǎn)品組合中是一個(gè)引腳數(shù)量非常高的系列。

Artix-7 FPGA：這是Xilinx 7產(chǎn)品線中的全新系列，針對(duì)收發(fā)器進(jìn)行優(yōu)化，具有6.6Gbps高速收發(fā)器。

Zynq-7000 SoC：該系列在初次亮相時(shí)頗具革新意義，它為業(yè)界帶來了將硬核Arm Cortex-A9處理器與FPGA架構(gòu)相結(jié)合的新型器件。這種新型器件可以提供集成系統(tǒng)解決方案，并且具有功耗更低、解決方案整體體積更小、EMI顯著降低等優(yōu)勢(shì)。

該產(chǎn)品組合中的器件可以支持從傳感器融合到精確控制、圖像處理和云計(jì)算等一系列應(yīng)用。

No.5

高端解決方案對(duì)于超高性能和更專業(yè)的應(yīng)用，Xilinx提供了28nm、20nm和16nm三個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)上的Kintex和Virtex系列。隨著UltraScale和UltraScale+系列器件的不斷發(fā)展，其性能和功能得到了顯著提高。 Kintex器件在三個(gè)技術(shù)節(jié)點(diǎn)上提供了不斷提升的性能、邏輯資源和收發(fā)器：從Kintex器件中的6.55萬個(gè)邏輯單元到Kintex UltraScale+器件中的11.43萬個(gè)邏輯單元。它們提供GTH和GTY千兆收發(fā)器，分別支持高達(dá)16.3Gbps和32.75Gbps的數(shù)據(jù)傳輸速率。

Virtex是Xilinx FPGA中性能最高的系列。這些器件不僅提供多達(dá)893.8萬個(gè)系統(tǒng)邏輯單元和58Gbps高速收發(fā)器，而且還支持高帶寬存儲(chǔ)器（HBM）。該系列產(chǎn)品具有4GB至16GB的片上DRAM和高達(dá)460Gbps的帶寬，其內(nèi)存性能是DDR4 DIMM的約20倍。Virtex HBM器件適用于為網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)加速的應(yīng)用。

No.6

工具鏈

Xilinx開發(fā)工具支持從最小的Spartan-7到最大的Virtex UltraScale+的所有器件，涵蓋了設(shè)計(jì)生命周期中的各個(gè)方面，從RTL捕獲直到仿真以及開發(fā)用于處理器核心的軟件。

Vivado設(shè)計(jì)套件：Vivado可以對(duì)設(shè)計(jì)、RTL仿真以及合成、放置、路由和生成位文件的實(shí)施過程進(jìn)行捕獲。

Vivado HLS：高級(jí)合成工具，讓工程師能夠使用C或C++來開發(fā)IP。

Vitis一體化軟件平臺(tái)：Vitis支持嵌入式處理器的軟件開發(fā)，以及使用OpenCL進(jìn)行加速。

PetaLinux工具：PetaLinux是用于嵌入式處理器的嵌入式Linux解決方案。

當(dāng)然，您還可以選用其他各種商業(yè)和開源軟件工具，它們涵蓋了從合成到仿真的各個(gè)階段；此外，同時(shí)支持仿真和形式驗(yàn)證的驗(yàn)證工具正變得越來越多。

原文標(biāo)題：何為FPGA？

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