FPGA基礎(chǔ)知識(shí)

FPGA全稱是Field-Programmable Gate Array，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列。

1、跟單片機(jī)相比

結(jié)構(gòu)不同：

1.1、單片機(jī)的引腳、資源以及內(nèi)部乘法器的數(shù)量是確定的，也就是說(shuō)它的硬件是確定的。只要通過(guò)軟件編程就可以實(shí)現(xiàn)其功能。

1.2 、FPGA內(nèi)部電路是不確定的，它可以通過(guò)編程來(lái)改變芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。內(nèi)部乘法器、除法器和寄存器的數(shù)量都可以通過(guò)編程來(lái)改變。

小結(jié)：

A、單片機(jī)不改變硬件結(jié)構(gòu)，而是通過(guò)改變它的指令執(zhí)行的先后順序來(lái)實(shí)現(xiàn)我們所需要的功能。(指令包括讀、寫或跳轉(zhuǎn)指令)。

B、FPGA的編程和設(shè)計(jì)就是為了改變芯片內(nèi)部的硬件電路結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)我們需要的功能。

考慮點(diǎn)不同：

1.3、在做單片機(jī)或電腦編程的時(shí)候，是不需要考慮時(shí)序的，只要有個(gè)函數(shù)，然后有個(gè)編程代碼實(shí)現(xiàn)就好了。寫一個(gè)函數(shù)，反復(fù)調(diào)用就可以實(shí)現(xiàn)很多的功能。

比如一個(gè)功能，單片機(jī)只需一個(gè)小時(shí)，但FPGA可能花一天甚至幾個(gè)月的時(shí)間。因?yàn)镕PGA不僅要想到功能，還要想到電路和時(shí)序。它是需要一個(gè)一個(gè)時(shí)鐘慢慢去摳的細(xì)節(jié)化的一種設(shè)計(jì)方法。

所以，F(xiàn)PGA開(kāi)發(fā)難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)比單片機(jī)高。

難度系數(shù)比較從高到低：ASIC集成電路>FPGA>單片機(jī)

FPGA是專做底層的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，專做底層優(yōu)化的工作，F(xiàn)PGA非常難，這是它的一個(gè)特點(diǎn)。

2、FPGA應(yīng)用場(chǎng)景

2.1、FPGA功能強(qiáng)大，試驗(yàn)難度大，一般用在通信接口的設(shè)計(jì)以及數(shù)字信號(hào)處理等比較高端(數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)傳輸快、精度要求高)的場(chǎng)合。

日常應(yīng)用中，要求不是特別高的場(chǎng)合廣泛使用單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.2、FPGA還有一個(gè)特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，即ASIC的原型驗(yàn)證。

怎么理解?集成電路開(kāi)發(fā)流程長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)高，當(dāng)做一個(gè)集成電路開(kāi)發(fā)的時(shí)候，從代碼編寫到仿真驗(yàn)證，到PCB的布局布線，再到最后的生產(chǎn)都需要經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)的時(shí)間周期。

為了保證成功率，希望一次通過(guò)，在生產(chǎn)之前可以在FPGA上跑一跑，驗(yàn)證一下功能是否正常。

2.3、FPGA的非標(biāo)場(chǎng)合(用量少的場(chǎng)合，常用于軍工領(lǐng)域)。

例如，USB等接口標(biāo)準(zhǔn)是固定的。但有一些特殊場(chǎng)合，它的市場(chǎng)需求本身不大，它本身也是某種特殊定義的接口，這種接口在市場(chǎng)上很難找到對(duì)應(yīng)的芯片去實(shí)現(xiàn)這種接口，這時(shí)FPGA就可以派上用場(chǎng)，可以自己設(shè)計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)電路跟這種接口進(jìn)行對(duì)接。

2.4、新科技的新型運(yùn)用。

當(dāng)一個(gè)新科技不明朗是否有市場(chǎng)前景的時(shí)候，肯定不會(huì)大批量的生產(chǎn)某一款芯片，可以先用FPGA來(lái)試驗(yàn)，待市場(chǎng)需大量的需求時(shí)再大量的生產(chǎn)。

小結(jié)：

相較于專用的ASIC，F(xiàn)PGA工具在開(kāi)發(fā)難度上降低了許多，并大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，而且由于FPGA是可重復(fù)編程的，其研發(fā)成本與風(fēng)險(xiǎn)要比ASIC減少許多，更適用于復(fù)雜多變的數(shù)據(jù)應(yīng)用。

3、FPGA的缺點(diǎn)

FPGA的缺點(diǎn)是成本高，為什么這么說(shuō)呢?專用的電路一定是把所有的電路都用上了，來(lái)實(shí)現(xiàn)我們所需要的功能。FPGA要同時(shí)滿足A、B、C的功能。但滿足A的某些功能在B或C上肯定是用不上的，所以它的利用率比較低，也可以理解為它的成本高。

所以，F(xiàn)PGA只能做一些高端的少批量的運(yùn)用。當(dāng)發(fā)現(xiàn)市場(chǎng)前景非常好，想要降成本的時(shí)候，可以把FPGA的代碼變成集成電路去生產(chǎn)。

4、FPGA的基本結(jié)構(gòu)

FPGA不像專用的ASIC那樣通過(guò)固定的邏輯門電路來(lái)完成，而只能采用一種可重復(fù)配置的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，查找表(LUT)可以很好的滿足這一要求。

查找表(Look-Up-Table)是什么?其本質(zhì)上是一個(gè)RAM存儲(chǔ)器。

舉例說(shuō)明，以數(shù)字邏輯Y=A&B&C為例。在專用ASIC中，為實(shí)現(xiàn)該邏輯，邏輯門都已經(jīng)事先確定好，如下圖所示：

Y=A&B&C的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)

在FPGA中就不一樣。A、B、C通過(guò)編程可以是任意關(guān)系。設(shè)計(jì)過(guò)程如下：

先用代碼寫出Y=A&B&C，然后用EDA工具(QUARTUS或其他開(kāi)發(fā)工具)分析這一行代碼，得出A、B、C在不同輸入組合下(共8種)，Y的值分別是多少，其真值表如下圖所示：

然后，軟件工具將所有結(jié)果寫到查找表(LUT)上，從而實(shí)現(xiàn)該代碼的功能。

Y=A&B&C的FPGA實(shí)現(xiàn)基本結(jié)構(gòu)

這就是FPGA實(shí)現(xiàn)的原理。

5、知識(shí)補(bǔ)充

5.1、在FPGA內(nèi)部有著軟內(nèi)核和硬內(nèi)核之分。

軟內(nèi)核：可以通過(guò)門電路隨意搭起來(lái)實(shí)現(xiàn)某種功能的電路。比如在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了一個(gè)計(jì)數(shù)器邏輯，那么在構(gòu)造計(jì)數(shù)器邏輯過(guò)程中使用到的功能可以被稱為“軟功能”。

硬內(nèi)核：實(shí)現(xiàn)固定功能的芯片。電路是固定好的，通過(guò)硬件去實(shí)現(xiàn)的。比如：PLL時(shí)鐘單元，它的電路是固定的，因?yàn)闀r(shí)鐘通過(guò)外部晶振起振后，通過(guò)內(nèi)部PLL時(shí)鐘倍頻，它不是數(shù)字電路可實(shí)現(xiàn)的，需要模擬電路倍頻實(shí)現(xiàn)。AD芯片和DA芯片也是模擬芯片，也是需要固定的資源在里面。

5.2、一種新的SOC FPGA(帶嵌入式處理器的FPGA)

在FPGA內(nèi)部有存儲(chǔ)單元片內(nèi)RAM塊，數(shù)據(jù)存放在RAM中，并由其設(shè)置工作狀態(tài)，若想要FPGA進(jìn)行工作，就要對(duì)RAM進(jìn)行編程，而如果外部有大量數(shù)據(jù)進(jìn)行交互時(shí)，就要通過(guò)增加外設(shè)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行暫時(shí)性的存儲(chǔ)，如SDRAM存儲(chǔ)器或DDR3存儲(chǔ)器，暫存在外設(shè)中的數(shù)據(jù)最終也是要通過(guò)FPGA內(nèi)部的RAM進(jìn)行存儲(chǔ)和處理。

目前，主流的FPGA都是基于SRAM工藝，在大部分開(kāi)發(fā)板上都是串行配置模式。由于SRAM掉電就會(huì)丟失內(nèi)部數(shù)據(jù)，因此往往都會(huì)外接一個(gè)能夠掉電保存數(shù)據(jù)的片外存儲(chǔ)器來(lái)保存程序。這樣一來(lái)，上電時(shí)FPGA便將外部存儲(chǔ)器種的數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)RAM以完成配置，對(duì)FPGA編程完成后便進(jìn)入工作狀態(tài)。

目前FPGA內(nèi)部已經(jīng)有一些芯片電路，不僅僅有接口，門電路，還有ARM及其它CPU等等已經(jīng)帶入嵌入式處理器的功能。

我們會(huì)發(fā)現(xiàn)電路板上功能有ARM+FPGA或DSP+FPGA協(xié)同合作，一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)處理器+FPGA功能，這就是我們更強(qiáng)大的嵌入式處理器的功能。

優(yōu)點(diǎn)：

1、更有利于PCB布局，面積更小，功能更強(qiáng)大。

2、ARM嵌入在芯片內(nèi)部，ARM和FPGA之間有更多的總線和通信方式，速度可以更快。

5.3、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及配置方式

當(dāng)在EDA工具上將程序設(shè)計(jì)完成之后，便需要將軟件上的程序燒錄進(jìn)FPGA內(nèi)部。通過(guò)不同的配置模式，F(xiàn)PGA便有不同的編程方式，以下為幾種常見(jiàn)的配置模式：

1、并行模式：通過(guò)并行PROM、Flash配置FPGA。也就是說(shuō)，把FPGA的程序先寫到PROM或Flash里面，上電的時(shí)候就會(huì)自動(dòng)讀取里面的值，配置FPGA。

2、主從模式：使用一片PROM配置多片F(xiàn)PGA。

3、串行模式：串行PROM配置FPGA。

4、外設(shè)模式：將FPGA作為微處理器CPU的外設(shè)，由微處理器對(duì)其編程。

一個(gè)是FPGA，一個(gè)是CPU，CPU通過(guò)接口寫FPGA，然后再通過(guò)FPGA實(shí)現(xiàn)需要的功能。那么CPU配置FPGA參數(shù)的數(shù)據(jù)從哪里來(lái)?

可以增加一個(gè)RAM或FLASH，CPU讀取里面的內(nèi)容，然后寫到FPGA內(nèi)部，F(xiàn)PGA工作就能實(shí)現(xiàn)需要的功能。這是比較常見(jiàn)的一種方式。

這種方式跟CPU直接控制FPGA有什么不同嗎?也就是上電后FPGA直接讀取PROM的數(shù)據(jù)不就好了，為什么要多一個(gè)CPU呢?

其中一個(gè)原因是：FPGA的有些程序是加密的，CPU讀取數(shù)據(jù)并解密后再發(fā)給FPGA，F(xiàn)PGA再來(lái)實(shí)現(xiàn)功能。

審核編輯：湯梓紅

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