fpga是什么

FPGA是一种以数字电路为主的集成芯片,属于可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）的一种；FPGA是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

本教程操作环境：windows7系统、Dell G3电脑。

fpga是什么

FPGA（Field Programmable Gate Array）是在PAL （可编程阵列逻辑）、GAL（通用阵列逻辑）等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA本质也是一种芯片，是一种以数字电路为主的集成芯片。

FPGA于 1985 年由 Xilinx 创始人之一 Ross Freeman 发明，属于可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）的一种。这个时间比著名的摩尔定律出现的时间晚 20 年左右，但是 FPGA 一经发明，后续的发展速度之快，超出大多数人的想象。

图 1 中给出了 FPGA 芯片的实物图：

图 1 FPGA芯片实物图

FPGA 发展历程

在 PLD 未发明之前，工程师使用包含若干个逻辑门的离散逻辑芯片进行电路系统的搭建，复杂的逻辑功能实现起来较为困难。

为了解决这一问题，20 世纪 70 年代，可编程逻辑阵列（Programmable Logic Array，PLA）问世，PLA 中包含了一些固定数量的与门、非门，分别组成了“与平面”和“或平面”，即“与连接矩阵”和“或连接矩阵”，以及仅可编程一次的连接矩阵（因为此处编程是基于熔丝工艺的），因此可以实现一些相对复杂的与、或多项表达式的逻辑功能，PLA 内部结构如图 2 所示：

图 2 PLA内部结构

与 PLA 同时问世的还有可编程只读存储器（Programmable Read-Only Memory，PROM），其内部结构如图 3 所示。与 PLA 相同，PROM 内部包含“与连接矩阵”和“或连接矩阵”，但是与门的连接矩阵是硬件固定的，只有或门的连接矩阵可编程。

图 3 PROM内部结构

若只有与门的连接矩阵可编程，而或门的连接矩阵是硬件固定的，那么这种芯片叫作可编程阵列逻辑器件（Programmable Array Logic，PAL），根据输出电路工作模式的不同，PAL 可分为三态输出、寄存器输出、互补输出，但 PAL 仍使用熔丝工艺，只可编程一次。PAL 的结构图如图 4 所示。

图 4 PAL结构图

在 PAL 的基础上，又发展出了通用阵列逻辑器件（Generic Array Logic，GAL），相比于 PAL，GAL 有两点改进：

GAL 的结构图如图 5 所示：

图 5 GAL结构图

早期的 PLD 主要由上述四种类型的芯片组成，即 PROM、PLA、PAL 和 GAL。它们的共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但由于其结构过于简单，所以只能实现规模较小的数字电路。

随着科技的发展、社会的进步，人们对芯片的集成度要求越来越高。早期的 PLD 产品不能满足人们的需求，复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）诞生。可以把 CPLD 看作 PLA 器件结构的延续，一个 CPLD 器件也可以看作若干个 PLA 和一个可编程连接矩阵的集合。CPLD 的内部结构图如图 6 所示。

图 6 CPLD结构图

FPGA 比 CPLD 早几年问世，与 CPLD 并称为高密度可编程逻辑器件，但它们有着本质的区别。FPGA 芯片的内部架构并没有沿用类似 PLA 的结构，而是采用了逻辑单元阵列（Logic Cell Array，LCA）这样一个概念，改变了以往 PLD 器件大量使用与门、非门的思想，主要使用查找表和寄存器。

除此之外，FPGA 和 CPLD 在资源类型、速度等方面也存在差异，如下表所示。

表：FPGA与CPLD的性能比较器件种类/特性FPGACPLD

内部结构

查找表（Look Up Table）

乘积项（Product Term）

程序存储

内部为 SRAM 结构，外挂 EEPROM 或 Flash 存储程序

内部为 EEPROM 或 Flash

资源类型

触发器资源丰富

组合逻辑资源丰富

集成度

使用场合

完成比较复杂的算法

完成控制逻辑

速度

其他资源

RAM、PLL、DSP 等

——

保密性

一般不能保密（可以使用加密核）

可加密

FPGA 的类型从内部实现机理来讲，可以分为基于 SRAM 技术、基于反熔丝技术、基于 EEPROM/Flash 技术。就电路结构来讲，FPGA 可编程是指三个方面的可编程：可编程逻辑块、可编程 I/O、可编程布线资源。可编程逻辑块是 FPGA 可编程的核心，我们上面提到的三种技术也是针对可编程逻辑块的技术。

FPGA 的结构图如图 7 所示。

图 7 FPGA结构图

FPGA 的技术优势

许多读者都知道 FPGA 功能强大，但它强大在哪儿？

PLUG AI

AI辅助包装设计！并对包装方案生成分析评估

22