什么是FPGA_FPGA的編程技術(shù)

　　FPGA（Field-Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

　　隨著人工智能、嵌入式產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，許多行業(yè)名詞變得越來越熟悉，我們今天所說的FPGA便是如此，但FPGA到底是什么呢？它的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在哪些方面呢？很多人就不那么清楚了。

　　什么是FPGA？

　　所謂FPGA，即“現(xiàn)場可編程門陣列”（Field Programmable Gate Array）的簡稱。它是一種開發(fā)者在短時(shí)間內(nèi)利用個(gè)人PC就可以在其上面實(shí)現(xiàn)自己想要的功能，而且可以多次重寫的廉價(jià)設(shè)備。

　　事實(shí)上， FPGA已經(jīng)得到了全球大多數(shù)用戶的支持。在2005年時(shí)，在isuppli提供的調(diào)查報(bào)告中顯示，ASIC和PLD （包含F(xiàn)PGA可編程產(chǎn)品） 的銷售量排名中，世界前五名里有兩個(gè)是FPGA供應(yīng)商。在業(yè)界中，美國XILINX排名世界第一位，IBM排名世界第二位，美國Altera排名世界第四位。

　　誕生背景

　　Xilinx首創(chuàng)了FPGA這一創(chuàng)新性的技術(shù)，并于1985年首次推出商業(yè)化產(chǎn)品“XC2000”。

　　當(dāng)時(shí)的半導(dǎo)體器件以CMOS LSI為主流，相繼出現(xiàn)了大規(guī)模的邏輯系統(tǒng)?！伴T陣列”是當(dāng)時(shí)將邏輯系統(tǒng)LSI化的最簡單方法。門陣列是指由半導(dǎo)體廠商準(zhǔn)備出已經(jīng)在硅片上形成了被稱為基本單元的邏輯門的母板，通過按照用戶希望的電路進(jìn)行布線，在母板上形成電路的半客戶定制品芯片。雖然是ASIC中設(shè)計(jì)和開發(fā)的成本和周期最短的，但仍需要幾個(gè)星期的開發(fā)時(shí)間。

　　另一方面，從PROM派生出來的現(xiàn)場可編程器件PLA得到廣泛應(yīng)用。PLA為一個(gè)邏輯器件，用戶進(jìn)行現(xiàn)場（應(yīng)用領(lǐng)域）編程。PLA是以集成結(jié)構(gòu)為特征的邏輯LSI，它能夠通過與PROM程序相同的設(shè)備，寫入連接信息。然后，EPROM和EEPROM之類的新設(shè)備相繼出現(xiàn)，因?yàn)閷?shí)用且容易使用而廣受歡迎。然而，還是難以自由實(shí)現(xiàn)任意的大規(guī)模邏輯，它們都只能起到輔助作用。

　　在FPGA誕生的初期，計(jì)算機(jī)研究員是最先感受到FPGA的巨大優(yōu)勢的。在此之前，要想實(shí)現(xiàn)一個(gè)新計(jì)算機(jī)體架構(gòu)的設(shè)計(jì)想法，必須要開發(fā)一個(gè)ASIC作為原型，在面板上安裝很多個(gè)體積龐大的IC。但是，與這些需要投入巨大成本和精力的方式不同，一旦用戶創(chuàng)建了具有多個(gè)FPGA的原型板，就可以立即運(yùn)行您設(shè)計(jì)的新架構(gòu)。而且，修正和更改規(guī)格也變得輕松簡單。因此，許多新的架構(gòu)應(yīng)運(yùn)而生因此，對(duì)可重構(gòu)處理器的研究和對(duì)新FPGA架構(gòu)的研究也開始蓬勃發(fā)展，在此之后，F(xiàn)PGA使用靈活，適用性強(qiáng)的特征在通信/圖像處理領(lǐng)域也大獲好評(píng)，并將其應(yīng)用于路由器等通信網(wǎng)絡(luò)的各種設(shè)備中。

　　關(guān)于FPGA的編程技術(shù)

　　2000年初，SRAM是當(dāng)時(shí)主流的FPGA編程技術(shù)，除此之外還有各種其他類型的FPGA編程技術(shù)。

　　在20世紀(jì)80年代后期，出現(xiàn)了一種具有與SRAM型FPGA不同概念的技術(shù)，被稱為“熔絲技術(shù)”（反熔絲技術(shù)）。在熔絲技術(shù)中，電路的連接點(diǎn)是熔絲，通過燒掉熔絲形成回路。反熔絲元件是一種只能編程一次的存儲(chǔ)元件，一旦編程，它就會(huì)以低阻抗導(dǎo)通。據(jù)說它比SRAM器件更緊湊，可以實(shí)現(xiàn)高集成度、低阻抗的高速運(yùn)行。熔絲技術(shù)（反熔絲技術(shù)）的弊端是不能重寫，不能反復(fù)使用。此外，難以降低的價(jià)格也是其缺點(diǎn)。

　　與此同時(shí)，又一個(gè)新的器件“CPLD”發(fā)布了。這是一個(gè)通過將多個(gè)小型 PLD 集成到一個(gè) LSI 中形成的可以實(shí)現(xiàn)任意大規(guī)模邏輯電路的PLD。與小規(guī)模PLD一樣，非易失性和可重寫的易用性是CPLD的最大特點(diǎn)。但是，CPLD在設(shè)計(jì)自由度方面不如FPGA高。

　　在1990年代，出現(xiàn)了使用Flash memory的“FLASH型FPGA”。Flash型FPGA同時(shí)具備了SRAM技術(shù)和反熔絲技術(shù)的兩大有點(diǎn)，即可重寫和非易失性。但是，由于其構(gòu)造和制造工序復(fù)雜，難以提高集成度和降低價(jià)格。因此，F(xiàn)lash基本沒有被用在大規(guī)模、高速運(yùn)行的FPGA中。

　　FPGA和PLD的架構(gòu)

　　基于SRAM的FPGA和CPLD是目前的主流工藝，高速和大規(guī)模的應(yīng)用使用基于SRAM的FPGA，對(duì)不需要高速和規(guī)模的應(yīng)用容易上手的CPLD是最合適的。無論哪種，都有制造簡單和價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)。

　　FPGA設(shè)計(jì)不是簡單的芯片研究，主要是利用 FPGA 的模式進(jìn)行其他行業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。 與 ASIC 不同，F(xiàn)PGA在通信行業(yè)的應(yīng)用比較廣泛。通過對(duì)全球FPGA產(chǎn)品市場以及相關(guān)供應(yīng)商的分析，結(jié)合當(dāng)前我國的實(shí)際情況以及國內(nèi)領(lǐng)先的FPGA產(chǎn)品可以發(fā)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)在未來的發(fā)展方向，對(duì)我國科技水平的全面提高具有非常重要的推動(dòng)作用。