FPGA零基础学习系列精选：FPGA芯片简介

图8 ：二选一多路选择器的真值表

根据数字组合逻辑电路的设计方法，首先做出布尔表达式，经过化简，得出简化后的布尔表达式，最后做出电路。

如果需要一个二选一多路选择器的等效电路，不关心内部是如何实现的。那么我们设计时，只需要考虑实现真值表的功能即可。当我们把真值表看做查找表时，A、B、S都是输入，任意指定一组值，都可以得出后面对应的Y即可。

下面解释一种器件：存储器。

存储器(Memory)是现代信息技术中用于保存信息的记忆设备。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。

图9 ：存储器模型

存储器中被分为了很多“小格子”，每一个“小格子”里面都可以放下很多的二进制数码。每个小格子都会有自己独特的标识，就像我们的门牌号一样，每个屋都是不同的。逻辑功能是当外部输入一个“门牌号”，对应的“小格子”里面的二进制数码就会输出。

存储器中的“小格子”的数量，在制造时，就已经确定。“小格子”的数量确定了，那么“门牌号”的形势也就被确定了。例：我们有100个房间，我们只有两个十进制的数码就可以表示了，00至99。在存储器中，“门牌号”也只能用二进制数来表示，例如：有4个“小格子”，那么“门牌号”就要用两个二进制码来表示，00~11。每个“小格子”里面存放的二进制数的个数，在制造时，也就确定好了。

通常我们把“门牌号”称为地址，“小格子”称为单个地址的存储空间，每个“小格子”能放下的二进制数码的个数称为“存储器的存储位宽”。

制作一个拥有8个地址，单个地址空间为1个二进制数码的存储器。此时，地址码应该有三位，每个地址对应的存储二进制数码 的个数为1个。要求：000地址中，放入0；001地址中，放入0；010地址中，放入1；011地址中，放入1；100地址中，放入0；101地址中，放入1；110地址中，放入0；111地址中，放入1；

图10 ：存储器示意图

按照我们存储器的逻辑功能，给与地址，存储器就会给出对应地址中所存放的数据。那么存储器的功能表如下：

图11 ：存储器的功能表

将存储器的功能表图11和二选一多路选择器的真值表图8相对比，我们会发现，除了自定义的信号名称不相同外，逻辑功能是相同的。那么也就是说，在黑盒设计时，我们可以将一个带有预设值的存储器放进去，它所对外的功能，也是可以实现二选一多路选择器的。此时，我们可以带有预设值的存储器可以等效为二选一多路选择器。

仔细观察，我们发现，任意真值表都可以用存储器来等效。那也就是说，存储器电路可以等效为任意组合逻辑的电路。

存储器电路的优势：不用做任何逻辑化简，不受基本逻辑门电路的样式限制，可以很快的得出最终的电路功能。如果存储器可以任意修改预设值的话，那么同一个存储器就可以随着不同的预设值等效为各类的电路。如果是基本门电路构成的话，就需要受到数量和样式的限制。

存储器电路的劣势：对于简单的门电路，用存储器实现是一种浪费。存储器电路也是一种相对复杂的电路。另外存储器电路的延迟一般偏大，原因同上。

在做数字组合逻辑电路设计时，如果采用门电路的设计方式，需要更新电路功能时，就需要重新布置电路结构，更换基本电路元器件；如果采用存储器等效的设计方式，只需要更改预设值即可。这种方法为我们做电路升级提供了一个很好的解决途径。

FPGA（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。

在介绍FPGA芯片结构之前，首先就FPGA和单片机做一个简单的对比。

单片机是一种微处理器，类似于电脑CPU。它的电路是固定的，是通过软件编程语言描述软件指令控制微处理器进行工作；它的所有指令都是微处理器顺序执行的；

图12 ：某单片机结构图

FPGA是一种半定制电路。它的电路也是固定的，但是可以通过硬件编程语言描述电路功能，重新配置电路功能，得到我们想要的电路的等效电路；它的所有功能都是利用电路来直接实现的，所有的功能都是可以并行执行。

图13 ：与门逻辑功能示意图

要求实现两路信号的与操作，将结果作为一路信号输出。那么在单片机中和FPGA中都是如何实现此功能的呢？

在单片机中，假设我们已经将对应的变量和引脚已经分配结束。我们会编写如下一段代码：

CPU会首先去读取A管脚的电平值，放入到自己的通用寄存器。然后读取B管脚的电平值放入到自己的通用寄存器。然后将两个电平值进行相与，结果写入通用寄存器。最后将存放结果的通用寄存器的值存入到Y管脚对应的寄存器。每一步都需要很久的时间。

在FPGA内部会形成一个存储器的等效电路（与门），直接将A管脚电平和B管脚的电平相与的结果用线连接到Y管脚了。

有些人可能不太明白，觉得这两个是相同的。都是取两个电平，然后把结果输送出去。不一样的地方有两个：

第一：单片机执行是顺序的，也就是说，每个时刻只能做一件事情。假设A管脚被取完电平后，突然降低一段时间，然后又拉高了。但是此时CPU去取B管脚电平或者输送结果到Y管脚了。那么整个设计将不会察觉到A管脚被拉低了一段时间。在FPGA中，都是直接线连接的，没有任何控制逻辑，任何的变化都会直接反映到电路的结果上。

第二：由于单片机的执行时顺序的，也就是有一个时间表，每一个时刻干什么规定好的。而FPGA是纯逻辑实现，每时每刻所有的电路都在工作。速度上要比单片机快很多。

所以FPGA的本质实现是靠自己的逻辑功能电路来实现，单片机是靠控制CPU，让CPU单个控制各个逻辑功能电路顺序实现的。

在数字电路基础中，我们知道，所有的数字电路都是由组合逻辑和时序逻辑构成，而时序逻辑是由组合逻辑和时序逻辑器件构成。所以数字电路是由组合逻辑和时序逻辑器件构成。

电路的重新配置按照现在的技术还实现不了。例如：有一个asic，现在想要他换一种功能，这是现在实现不了的，因为其中的电路是固定的，并且没有重新配置的功能。

如果想要电路能够重新配置，在上一节中叙述存储器等效电路时，我们了解到存储器电路预设不同的值是可以完成不同的电路功能。

在FPGA中，由一定的存储器等效电路和时序逻辑器件构成最小单元。那么此单元可以被配置成为组合逻辑、时序逻辑。

图14 ：CYCLONE IV E 可编程最小单元示意图

CYCLONE IV E是INTEL FPGA中CYCLONE系列的第四代。在上图中，四输入查找表（Four – Input LUT）其实就是一个有16存储空间，每个存储空间只有1个二进制数字的存储器，LUT（Look Up Table）就是查找表。设置合理的预设值，就可以实现一定的数字组合逻辑电路功能。

那为什么要固定为16存储器空间呢？如果我们要实现一个5输入的与门，那16个存储空间就不够用了。那么此时我们应该怎么办？

其实也很简单，只需要将5输入的与门分为一个四输入的与门，然后把结果和另外一个输入进行相与即可。对于存储器电路也可以这样做。

如果可以级联的话，那么做成2输入的是不是也可以的。原则上是可以的，但是如果我们实现的逻辑功能比较复杂的话，那么就会级联特别长，延时就会很大。那做成1000输入的话，是不是就好了，再复杂的话，都不用级联。可是在设计时，我们做的不仅仅是复杂逻辑，还有很多的不复杂的，那么一个二输入与门的设计也要占用一个1000输入，那就得不偿失了。所以经过衡量，最终设计者将输入做成了4输入的查找表。

经过不断的发展，FPGA在各个场合的应用越来越多，所做的设计越来越复杂，要求的延迟越来越小。于是新出的FPGA系列拥有更多的输入查找表。

在图2-14中，后面还有一个时序逻辑器件。这个时序逻辑器件是FPGA厂商直接做到FPGA内部的，我们设计电路时，不需要设计，只需要调用出来即可。

由此，我们就可以实现组合逻辑和时序逻辑的一个小部分了。但是复杂的设计，往往是需要级联的。

图15 ：CYCLONE IV 中结构示意图

LAB中包含了很多最小可编程单元，这些可编程单元完成电路的一部分功能。然后通过各种interconnect（连线）互联，最终实现我们想要的复杂的逻辑功能。

通过可编程单元和连线资源就可以完成各种电路功能，但是最终还是在芯片内部，为了能够和外部的芯片进行通信，一定会需要IO单元。

图16 ：CYCLONE IV的IO单元

在IO单元中，我们可以发现整个IO单元可以被配置为输入、输出、输入出。并且其中可以是否配置上拉电阻，以及电路延迟等等功能。

FPGA的IO数量较多，在需要同时控制多个外设时，不需要级联，一致性会比较好。

图17 ：CYCLONE IV E的某块FPGA的IO供电bank

在FPGA中，内部逻辑运行是一种电压。输入输出被分为了好多个块（bank），每一个块都可以有自己的电平标准，这就让FPGA可以在不用转换电路的情况下，驱动多个不同电压标准的接口。

在图17中可以看到FPGA的内部逻辑电压相对较低，所以FPGA的功耗也相对较低。

通过上述的三种结构，一个简单的FPGA芯片就可以实现了。

在FPGA应用时，我们发现经常用到一些缓存和特殊电路，并且对这些电路的要求比较高，用FPGA实现不太现实。那么FPGA就会将其集成到FPGA内部，用大量的互联资源引出接口，供给内部逻辑进行控制或者通信。

设计者可以利用FPGA的资源实现CPU的功能，构成SOPC。

现在的很多FPGA将ARM的硬核放入到自己内部，构成SOC。

本文只是简单介绍FPGA内部结构，后续在设计时，需要详细了解结构时，会单独列出来详细讲解。有兴趣的同学可以自己查询FPGA的介绍文档。

FPGA是一种芯片，有很多的厂商都在生产和销售，下面简要介绍几个厂家以及他们的芯片。

• Intel FPGA
  

Altera公司(阿尔特拉)自二十年前发明世界上第一个可编程逻辑器件开始，秉承了创新的传统，是世界上“可编程芯片系统”（SOPC）解决方案倡导者。Altera结合带有软件工具的可编程逻辑技术、知识产权（IP）和技术服务，在世界范围内为14,000多个客户提供高质量的可编程解决方案。我们新产品系列将可编程逻辑的内在优势——灵活性、产品及时面市——和更高级性能以及集成化结合在一起，专为满足当今大范围的系统需求而开发设计。

在2015年12月Intel斥资167亿美元收购Altera公司。至此，我们将Altera FPGA更名为Intel FPGA。

Intel FPGA的主流FPGA分为两大类，一种侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求，如Cyclone系列；还有一种侧重于高性能应用，容量大，性能能满足各类高端应用，如Startix、Arria系列等，用户可以根据自己实际应用要求进行选择。在性能可以满足的情况下，优先选择低成本器件。

• Xilinx FPGA
  

Xilinx(赛灵思)是全球领先的可编程逻辑完整解决方案的供应商。Xilinx研发、制造并销售范围广泛的高级集成电路、软件设计工具以及作为预定义系统级功能的IP(Intellectual Property)核。客户使用Xilinx及其合作伙伴的自动化软件工具和IP核对器件进行编程，从而完成特定的逻辑操作。

Xilinx的主流FPGA分为两大类，一种侧重低成本应用，容量中等，性能可以满足一般的逻辑设计要求，如Spartan系列;还有一种侧重于高性能应用，容量大，性能能满足各类高端应用，如Virtex系列，用户可以根据自己实际应用要求进行选择。在性能可以满足的情况下，优先选择低成本器件。

继Xilinx正式向外界发布其推出全球首颗28nm制程的Kintex-7后，该公司推出7系列四款芯片Artix-7、Kintex-7、Virtex-7和Zynq的FPGA芯片,以及围绕7系列的开发资源。

• Actel FPGA
  

ACTEL公司成立于1985年，位于美国纽约。之前的20多年里，ACTEL一直效力于美国军工和航空领域，并禁止对外出售。国内一些特殊领域的企业都是采用其它途径购买军工级型号。目前ACTEL开始逐渐转向民用和商用，除了反熔丝系列外，还推出可重复擦除的ProASIC3系列(针对汽车、工业控制、军事航空行业)。

• Lattice FPGA
  

莱迪思(Lattice)半导体公司提供业界最广范围的现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑器件(PLD)及其相关软件，包括现场可编程系统芯片(FPSC)、复杂的可编程逻辑器件(CPLD),可编程混合信号产品(ispPAC®)和可编程数字互连器件(ispGDX®)。

• 国产FPGA
  

京微齐力、西安智多晶微电子、紫光国微、高云等等，他们都拥有自己的FPGA系列芯片。

FPGA的厂商有很多，但是基本的内部结构和开发流程是比较接近了，只要掌握一种FPGA的开发方式，其他的FPGA开发就会容易上手很多。

目前学习FPGA设计，使用INTEL FPGA和Xilinx FPGA的居多，这两家的FPGA芯片也是应用最多的。

系统设计师可以根据需要通过可编辑的连接把FPGA内部的逻辑块连接起来，就好像一个电路试验板被放在了一个芯片里。一个出厂后的成品FPGA的逻辑块和连接可以按照设计者而改变，所以FPGA可以完成所需要的逻辑功能。

FPGA的特点有以下几点：

• 采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。
• FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。
• FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。
• 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。
• FPGA采用高速CMOS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、可靠性的最佳选择之一。

FPGA的应用大可分为以下几种：

数据采集领域：自然界的大部分信号是模拟信号，在高速采集时，信息无法直接传入MCU或者DSP。此时，需要FPGA进行一定的转换和速率匹配。

逻辑接口领域：CPU在于外界通信时，需要各种专门的接口，而接口电路所引入的接口电路很庞大。加入FPGA，就可以CPU与FPGA做单独通信，由FPGA实现其他各种接口的扩展。

电平接口领域：不同的器件支持的电平不尽相同，如果需要连接各种接口时，就需要各种接口标准或者转换电路。对于FPGA来说，FPGA分为不同的BANK，可以直接支持不同的电平标准。

数字信号处理领域：通信、图像等领域近些年对计算量提出了更高的要求，FPGA支持并行计算，可以大大缩短计算的时间。

IC设计领域：IC在设计时，首先会使用FPGA设计出基础的电路模型进行各种理论验证，等验证通过后，才会进行IC制造等等。

通过上述的叙述，了解FPGA内部都是使用等效电路实现功能，那么它的速度是不是赶不上ASIC？

既然要做对比，就要说明一部分情况。例：如果是同等工艺条件下，FPGA是没有ASIC跑的快。各大FPGA厂商都是利用世界先进工艺做出的片子，如果某些应用类型公司尝试利用的最先进工艺做片子，那么风险比较高，费用也比较昂贵，如果采用成熟工艺去做片子，那么asic的速度不一定会有FPGA速度快。