FPGA的設(shè)計(jì)原理 FPGA和CPLD的區(qū)別

1984年，Xilinx公司的創(chuàng)始人之一，密西根大學(xué)畢業(yè)生，RossFreeman第一次提出了可編程邏輯器件（PLD）的概念，讓芯片成為一個(gè)空白的畫布，可由工程師通過編程在上面任意“涂鴉”。

（瞻仰一下大神）

Freeman也因?yàn)檫@項(xiàng)發(fā)明進(jìn)入2009美國發(fā)明家名人堂。遺憾的是英年早逝的他沒能看到他所締造的FPGA帝國是多么的輝煌。

清華大學(xué)微電子研究所所長，中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)副理事長魏少軍先生曾用印一本書來區(qū)別芯片的設(shè)計(jì)、制造、封測過程：設(shè)計(jì)相當(dāng)于作家寫了一本書，制造相當(dāng)于印刷，封裝相當(dāng)于裝訂。那么FPGA是什么？如果是一個(gè)專業(yè)從事FPGA工作的老攻城獅可能會(huì)告訴你，”Field Programmable Gate Array“，然后再補(bǔ)上一句”It can be anything you want“。網(wǎng)上也有很多通俗易懂的類比。例如把FPGA的開發(fā)看作是數(shù)字積木搭建，東南大學(xué)湯勇明老師就寫過一本《搭建你的數(shù)字積木——數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)》

一個(gè)個(gè)IP就像是一塊塊積木，通過調(diào)用IP"搭建"特定功能的電路，這個(gè)比喻來說明FPGA的開發(fā)再合適不過了。

也有人將FPGA比作是空白的大腦，大腦里面存在成千上萬的神經(jīng)元細(xì)胞，但是神經(jīng)元之間并沒有連接起來，也就還沒有大腦強(qiáng)大的功能，但是當(dāng)工程師用Verilog或者vhdl來對FPGA進(jìn)行布局布線之后，神經(jīng)元就連接到了一起，大腦也就有了一些功能，給大腦輸入羊肉泡饃的畫面，會(huì)流口水之類的反應(yīng)。這個(gè)比喻來形容FPGA的設(shè)計(jì)原理再合適不過了。

另外，還有人將FPGA中的一些組成部分和生物化學(xué)有機(jī)體類比。FPGA中最基本的單元——可編程邏輯單元（CLB），可以類比為有機(jī)體中的蛋白質(zhì)分子，生物化學(xué)的角度上，蛋白質(zhì)可以合成更高更復(fù)雜的器官，例如心，肝，胃，胳膊腿等，那么同樣CLB作為電子有機(jī)體中的蛋白質(zhì)分子，當(dāng)然就可以合成一個(gè)電子有機(jī)體（類比人）的各個(gè)模塊（器官），有的器官復(fù)雜，需要很多蛋白質(zhì)分子分層次合成，那么同樣，有的電子系統(tǒng)的模塊的也極其復(fù)雜，需要CLB分層次合成。

那么蛋白質(zhì)分子在合成各種不同的器官的時(shí)候，靠什么做指導(dǎo)嘞？人體內(nèi)部有著極其龐大復(fù)雜的DNA序列，這個(gè)DNA序列記錄著人體的所有信息。在受精卵生成胚胎階段，其中的某一段序列指導(dǎo)胚胎的這一坨（也就是這一堆蛋白質(zhì)分子）成為未來的手，另一端序列指導(dǎo)胚胎的另一堆蛋白質(zhì)分子成為未來的胳膊。那么同樣，在FPGA中也會(huì)有等價(jià)于生物化學(xué)有機(jī)體中的DNA，就是bit_stream。bit_stream和DNA完全類似，就是一段序列，指導(dǎo)著若干CLB合成某一個(gè)執(zhí)行具體功能的模塊。

在有機(jī)體中還有脂肪的存在，脂肪的一大作用就是存儲(chǔ)能量，在FPGA中負(fù)責(zé)存儲(chǔ)的是BRAM，不同的是脂肪儲(chǔ)存的是能量，BRAM儲(chǔ)存的是數(shù)據(jù)。????????

FPGA中還有一個(gè)很重要的東西叫做DSP，即數(shù)字信號(hào)處理器，在人的大腦里面有一片腦回溝區(qū)域?qū)ｉT負(fù)責(zé)數(shù)學(xué)運(yùn)算，兩者可以做一個(gè)類比。

生物體中還有一個(gè)十分重要的器官叫心臟，而FPGA中有一個(gè)東西叫時(shí)鐘，心臟控制脈搏，時(shí)鐘則負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率。有了心臟，人類才得以正?；顒?dòng)，有了時(shí)鐘，系統(tǒng)才得以有條不紊的運(yùn)行。

在FPGA的設(shè)計(jì)當(dāng)中編寫的RTL代碼，通過軟件工具可以生成人類看不懂的bit_stream,也就是說工程師每天的工作都是在編寫FPGA的DNA,在生物學(xué)領(lǐng)域，我相信大多數(shù)的科學(xué)家畢生都在做著解讀‘人類天書’DNA的工作吧。這樣一一類比下來感覺FPGA的開發(fā)就像是在造人一樣，頓時(shí)感覺代碼都不枯燥了。

首款 FPGA，即賽靈思 XC2064，只包含 64 個(gè)邏輯模塊，每個(gè)模塊含有兩個(gè) 3 輸入查找表 (LUT) 和一個(gè)寄存器。按照現(xiàn)在的計(jì)算，該器件有 64 個(gè)邏輯單元——不足 1000 個(gè)邏輯門。盡管容量很小，XC2064 晶片的尺寸卻非常大，比當(dāng)時(shí)的微處理器還要大;而且采用 2.5 微米工藝技術(shù)勉強(qiáng)能制造出這種器件。但隨著IC制造工藝的發(fā)展，F(xiàn)PGA也迅速發(fā)展，資源爆炸式增長，ZYNQ系列的Z-7100的邏輯單元已經(jīng)到了444k。

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與FPGA同為PLD的還有CPLD，CPLD（Complex Programmable Logic Device）,復(fù)雜可編程邏輯器件。CPLD由可編程邏輯的功能圍繞一個(gè)可編程互連矩陣構(gòu)成，由固定長度的金屬線實(shí)現(xiàn)邏輯單元之間的互連，并增加了I/O控制模塊的數(shù)量和功能。

CPLD的基本結(jié)構(gòu)可看成由可編程邏輯陣列（LAB），可編程I/O控制模塊和可編程內(nèi)部連線（PIA）等三部分組成。

可編程邏輯陣列（LAB）:由若干個(gè)可編程邏輯宏單元（Logic Macro Cell，LMC）組成，LMC主要包括與陣列、或陣列、可編程觸發(fā)器和多路選擇器等電路，能獨(dú)立地配置為時(shí)序或組合工作方式。

FPGA由可編程邏輯塊（CLB），輸入/輸出模塊（IOB）及可編程互連資源（PIR）等三種可編程電路和一個(gè)SRAM結(jié)構(gòu)的配置存儲(chǔ)單元組成。CLB是實(shí)現(xiàn)邏輯功能的基本單元，他們通常規(guī)則排列成一個(gè)陣列，散布于整個(gè)芯片中?？删幊梯斎?輸出模塊（IOB）主要完成芯片上的邏輯與外部引腳的接口，它通常排列在芯片的四周。可編程互連資源（PIR）包括各種長度的連線線段和一些可編程鏈接開關(guān)，他們將各個(gè)CLB之間或CLB與IOB之間以及IOB之間連接起來，構(gòu)成特定功能的電路。

CLB主要由邏輯函數(shù)發(fā)生器，觸發(fā)器，數(shù)據(jù)選擇器等電路組成。邏輯函數(shù)發(fā)生器主要由查找表（Look Up Table）構(gòu)成。

查找表LUT實(shí)質(zhì)上是一個(gè)RAM，當(dāng)用戶描述了一個(gè)邏輯電路后，軟件會(huì)計(jì)算所有可能的結(jié)果，并寫入RAM。每一個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算，就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對應(yīng)的內(nèi)容，輸出結(jié)果。這樣也大大加快了FPGA的運(yùn)算速度。

FPGA和CPLD的區(qū)別主要有以下幾點(diǎn)：

（1） FPGA采用SRAM進(jìn)行功能配置，可重復(fù)編程，但系統(tǒng)掉電后，SRAM中的數(shù)據(jù)丟失，因此，需要在FPGA外加EPROM，將配置數(shù)據(jù)寫入其中，系統(tǒng)每次上電自動(dòng)將數(shù)據(jù)引入SRAM中。CPLD器件一般采用EEPROM存儲(chǔ)技術(shù)，可重復(fù)編程，并且系統(tǒng)掉電后，EEPROM中的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失，適用于數(shù)據(jù)的保密。

（2）FPGA器件含有豐富的觸發(fā)器資源，易于實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯，如果要求實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的組合電路，則需要幾個(gè)CLB結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)。CPLD的與或陣列結(jié)構(gòu)，更適用于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模組合功能，但觸發(fā)器資源相對較少。

（3）FPGA是細(xì)顆粒度結(jié)構(gòu)，CPLD是粗粒度結(jié)構(gòu)。FPGA內(nèi)部有豐富連線資源，CLB分塊較小，芯片利用率高。CPLD宏單元的與或陣列較大，通常不能完全被應(yīng)用，且宏單元之間的主要通過高速數(shù)據(jù)通道連接，其容量有限，限制了器件的靈活布線，因此，CPLD利用率較FPGA器件低。

（4）FPGA為非連續(xù)式布線，CPLD為連續(xù)式布線。FPGA器件每次編程時(shí)實(shí)現(xiàn)的邏輯功能一樣，但走的路線不同，因此延時(shí)不易控制，即時(shí)序延遲不可預(yù)測。CPLD每次布線路徑一樣，消除了分段式互連結(jié)構(gòu)在定時(shí)上的差異，并在邏輯單元之間提供快速且具有固定延時(shí)的通路，CPLD的延時(shí)小，且時(shí)序延遲可預(yù)測。CPLD比FPGA可工作在更高的頻率。

所以FPGA是什么？

It?can be?anything you want!

參考文獻(xiàn)：

[1]知乎用戶PIPI.FPGA與CPLD基本結(jié)構(gòu)與區(qū)別[OL].

(2020-09-05).https://zhuanlan.zhihu.com/p/218280002

[2]知乎用戶帥晶晶.(2019-12-22).

https://www.zhihu.com/question/326525860/answer/946167907

[3]張國斌.賽靈思，你都第一了還這樣拼會(huì)讓追趕著很絕望啊[OL].(2019-10-11)

作者：Fanxin Meng

編輯：黃飛

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