FPGA入门必学基础知识详解

FPGA入门必学基础知识详解

### FPGA是什么？

FPGA的全称是Field-Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列。它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上发展而来的，作为一种半定制电路，FPGA在专用集成电路（ASIC）领域中占据一席之地。FPGA通过编程可以改变其内部结构，解决定制电路的不足，同时也克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

### FPGA的基本结构

FPGA的可编程特性决定了其实现数字逻辑的结构不能像专用ASIC那样通过固定的逻辑门电路来完成。查找表（LUT）可以很好地满足这一要求，目前主流的FPGA芯片仍是基于SRAM工艺的查找表结构。

### 数据存储与配置方式

FPGA内部存在存储单元片内RAM块，数据存放在RAM中并由其来设置工作状态。若想要FPGA进行工作，就需要对片内RAM进行编程。在EDA工具上将程序设计完成后，需要将软件上的程序烧录进FPGA内部。通过不同的配置模式，FPGA会有不同的编程方式。

### 为什么使用FPGA？

计算机应用多种多样，最适合的方法也会因应用而异，其中包括现成的微处理器（MPU）和微控制器（MCU）、现成的图形处理单元（GPU）、FPGA和自定义片中系统（SOC）装置。要决定使用哪种方法，需要根据具体的应用需求来综合考虑。例如，在研究5G基站这样的尖端技术时，设计者需要考虑基础标准和协议还在不断地发展。

### 主要生产FPGA的公司

行业三巨头包括ALTREA（现已被INTEL收购）、XILINX（即将被AMD完成收购）和LATTICE。主要有两个制造商生产高容量和高性能的器件，分别是Intel（收购Altera）和Xilinx，它们覆盖了从低端FPGA到高端SoC FPGA，提供了多种产品。

### FPGA的设计流程

FPGA的设计流程是利用EDA开发软件和编程工具对FPGA芯片进行开发的过程。原理图和HDL（Hardware Description Language，硬件描述语言）是两种最常用的数字硬件电路描述方法。其中，运用HDL设计方法具有更好的移植性、通用性以及利于模块划分的特点，在工作学习中被广泛使用。典型FPGA的开发流程一般包括功能定义/器件选型、设计输入、功能仿真、综合优化、综合后仿真、实现、布线后仿真、板级仿真以及芯片编程与调试等主要步骤。