FPGA简介

　　当今社会是数字化的社会，是数字集成电路广泛应用的社会。数字集成电路本身在不断地进行更新换代。它由早期的电子管、晶体管、小中规模集成电路，发展到超大规模集成电路（VLSIC，几万门以上）以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。系统设计师们更愿意自己设计专用集成电路（ASIC）芯片，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC芯片，并且立即投入实际应用之中，因而出现了现场可编程逻辑器件（FPLD），其中应用最广泛的当属现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。

　　1． 发展历史

　　早期的可编程逻辑器件只有可编程只读存储器（PROM）、紫外线可擦除只读存储器（EPROM）和电可擦除只读存储器（E2PROM）三种。由于结构的限制，它们只能完成简单的数字逻辑功能。

　　其后出现了一类结构上稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件（PLD），它能够完成各种数字逻辑功能。典型的PLD由一个“与”门和一个“或”门阵列组成，而任意一个组合逻辑都可以用“与—或”表达式来描述，所以PLD能以乘积和的形式完成大量的组合逻辑功能。

　　这一阶段的产品主要有PAL（可编程阵列逻辑）和GAL（通用阵列逻辑）。 PAL由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。PAL器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和E2PROM技术。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列（PLA），它也由一个“与”平面和一个“或”平面构成，但是这两个平面的连接关系是可编程的。PLA器件既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。在PAL的基础上又发展了一种通用阵列逻辑（GAL，Generic ArrayLogic），如GAL16V8、GAL22V10等。它采用了E＇PROM工艺，实现了电可擦除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。这些早期的PLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。

　　为了弥补这一缺陷，20世纪80年代中期，Altera和Xilinx分别推出了类似于PAL结构的扩展型CPLD（Complex Programmable Logic Dvice）和与标准门阵列类似的FPGA（FieldProgrammable Gate Array），它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。这两种器件兼容了PLD和通用门阵列的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其他ASIC（Application Specific IC）相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品不需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产（一般在10 000件以下）之中。几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA和CPLD器件。

　　FPGA是英文Field Programmable Gate Arry的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD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。

　　2． FPGA的基本特点

　　FPGA采用了逻辑单元阵列（LOA，Logic Cell Arry）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块（CLB，Configurable Logic Block）、输入输出模块（IOB，Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。FPGA的基本特点主要有：

　　（1）采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产就能得到合用的芯片；

　　（2）FPGA可做其他全定制或半定制ASIC电路的试样片：

　　（3）FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚；

　　（4）FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一；

　　（5）FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

　　可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度和可靠性的最佳选择之一。

　　目前FPGA的品种很多，有XILINX的xc系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FIEX系列等。

　　FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的。因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式采用不同的编程方式。

　　加电时，FPGA芯片将EPROM中的数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失。因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程不需专用的FPGA编程器，只需用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA、不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。

　　FPGA有下面4种配置模式：

　　（1）并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；

　　（2）主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA：

　　（3）串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；

　　（4）外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。

　　3． FPGA的优点

　　FPGA芯片都是特殊的ASIC芯片，除了具有ASIC的特点之外，还具有以下3个优点。

　　①随着超大规模集成电路（VLSI，Very Large Scale IC）工艺的不断提高，单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，FPGA／CPLD芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上百万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。

　　②FPGA／CPLD芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，FPGA／CPLD的资金投入小，节省了许多潜在的花费。

　　③用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同的软件实现不同的功能。所以，用FPGAiCPLD试制样片，能以最快的速度占领市场。FPGA／CPLD软件包中有各种输入工具和仿真工具及版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出FPGA／CPLD的优势。电路设计人员使用FPGA／CPLD进行电路设计时，不需要具备专门的IC（集成电路）深层次的知识，FPGA／CPLD软件易学易用，可以使设计人员更能集中精力进行电路设计，快速将产品推向市场。