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FPGA芯片的工作原理、基本特征及其独特的优势

2023-06-07 23:22:00

FPGA（Field－ProgrammableGateArray），也就是现场可编程门阵列，在PAL、GAL、CPLD等可编程设备的基础上，进一步发展。这是一种特殊的集成电路（ASIC）该领域出现了一种半定制电路，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量有限的缺点。那么这项技术有什么独特的优势呢？

1、FPGA是什么？

在最高层次上，FPGA是一个可以重新编程的BYT03-400硅芯片。使用预建的逻辑块和可重新编程的布线资源，用户可以配置这些芯片，实现自定义硬件功能，而无需使用电路测试板或烙铁。用户在软件中开发数字计算任务，并将其编译成配置文件或比特流，包括组件之间相互连接的信息。此外，FPGA可以完全重新配置，当用户重新编译不同的电路配置时，他们可以立即呈现出新的特征。过去，只有熟悉数字硬件设计的工程师才知道如何使用FPGA技术。

FPGA芯片在各行各业的应用源于FPGA将ASIC和基于处理器的系统融合在一起的最大优势。FPGA可以提供硬件的定时速度和稳定性，不需要大规模投入类似于自定义ASIC设计的巨额前期费用。可重新编程的硅芯片的灵活性与基于处理器的系统运行的软件相当，但不受可用处理器内核数量的限制。与处理器不同，FPGA真的是并行实施的，所以不同的处理操作不需要竞争相同的资源。每个独立的处理任务都应该配备一个特殊的芯片。

2、FPGA工作原理

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA的（LogicCellArray）这样的概念，包括CLBB，一个可配置的逻辑模块（ConfigurableLogicBlock）、IOB输出输入模块（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。

3、FPGA的基本特征

采用FPGA设计ASIC电路(特定用途集成电路)，用户可以获得合用的芯片，无需投片生产。

FPGA可以制作其他全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

FPGA内部有丰富的触发器和IPGA／O引脚。

FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发成本最低、风险最小的设备之一。

FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

FPGA芯片可以说是提高小批量系统集成度和可靠性的最佳选择之一。

FPGA的工作状态是由存储在电影中的RAM程序设置的，因此，在工作时需要对电影中的RAM进行编程。使用者可根据不同的配置模式，采用不同的编程方法。

在加电过程中，FPGA芯片将EPROM中的数据读入电影中的编程RAM，配置完成后，FPGA进入工作状态。FPGA掉电后，恢复为白色电影，内部逻辑关系消失，因此，FPGA可以重复使用。FPGA编程不需要特殊的FPGA编程器，只需使用通用的EPROM、PROM编程器就可以了。如果需要修改FPGA功能，只需更换EPROM即可。通过这种方式，同一个FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。所以FPGA的使用非常灵活。

4、FPGA技术的五大优势

1）性能

FPGA利用硬件并行的优势，打破了顺序执行模式，超越了数字信号处理器，在每个时钟周期内完成了更多的处理任务。（DSP）计算能力。著名的分析和基准测试公司BDTI发布基准显示，FPGA每美元的处理能力是DSP解决方案的多倍。在控制输入和输出在硬件层面。（I/O）提供更快的响应时间和专业的功能，以满足应用需求。

2）上市时间

虽然上市限制越来越多，但FPGA技术仍然提供了灵活性和快速原型的能力。在没有定制ASIC设计的漫长制造过程中，用户可以在硬件中测试一个想法或概念并完成验证。因此，用户可以在几个小时内完成逐步修改和迭代FPGA设计，从而节省了几周的时间。商业现成（COTS）硬件可以提供不同类型的I//连接到用户可编程FPGA芯片。随着高级软件工具的日益普及，学习曲线和抽象层的减少，为了实现高级控制和信号处理，经常提供有用的IP核(预设功能)。

3）成本

非常规工程自定制ASIC设计（NRE）成本远远超过FPGA硬件解决方案的成本。ASIC设计初期的巨额投资表明，原始设备制造商每年需要运输数千个芯片，但更多的最终用户需要定制硬件功能，从而实现数十到数百个系统的开发。可编程芯片的特性意味着用户可以节省制造成本和漫长的交付和组装时间。与ASCI相比，系统的需求总是会发生变化，但与ASCI的巨额成本相比，改变FPGA设计所产生的成本微不足道。

4）稳定性

软件工具提供了一个编程环境，FPGA电路是一个真正的编程“硬”执行过程。基于处理器的系统通常包含多个抽象层，可以计划和共享多个过程之间的任务和资源。驱动层控制硬件资源，操作系统管理内存和处理器带宽。对于任何给定的处理器核心，一次只能执行一个指令，基于处理器的系统总是面临着严格限时的任务相互占用的风险。但是FPGA没有使用操作系统，有一个确定的硬件，可以真正的并行执行，专注于每个任务，可以减少稳定性问题。

5）长期维护

如上所述，FPGA芯片可以在不重新设计ASIC所涉及的时间和成本投入的情况下进行现场升级。例如，数字通信协议包括一个可以随时间变化的标准，基于ASIC的接口可能会导致维护和向前兼容的困难。可重新配置的FPGA芯片可以适应未来需要的修改。随着产品或系统的成熟，用户可以增强功能，而无需花费时间重新设计硬件或修改电路板布局。

5、应用FPGA

微处理器是为通用而设计的，必须按照时钟的节拍逐一取指、翻译指、执行，多用于低速、实时要求低的场合，如石油检测；FPGA有相当多的应用场合，尤其是在无线通信、雷达检测等数据处理能力强、实时性强、对时间要求苛刻的场合。它是FPGA的一些典型应用:

典型应用一：接口逻辑控制-提供前所未有的灵活性

1）PCI、PCIExpress、PS/2、接口控制器，如USB

2）SDRAM、DDR、SDRAM、QDR、SRAM、NANDflash、接口控制器，如NORFlash等。

3)电平转换，LVDS、TTL、COMS、SSTL等

典型应用二：高速数字信号处理-提供前所未有的计算能力

1)软件无线电信等无线通信领域（SDR）；

2)高清数字电视等视频图像处理领域（HDTV）；

3)雷达声纳、安全通信等军事和航空航天领域。

FPGA技术的应用越来越广泛。无论你是逻辑设计师、硬件工程师还是系统工程师，甚至是拥有所有这些头衔，只要你在任何一种高速和多协议的复杂系统中使用了FPGA，你就很可能需要努力解决好器件配置、电源管理、IP集成、信号完整性和其他的一些关键设计问题，那就要认真了解FPGA技术啦！

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