姓名：呂紅霞御吞；學(xué)號(hào)：20011210203岭佳；學(xué)院：通信工程學(xué)院
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【嵌牛導(dǎo)讀】本文介紹了FPGA的發(fā)展歷程
【嵌牛鼻子】FPGA
【嵌牛提問(wèn)】所以FPGA到底是什么玛追？
【嵌牛正文】
1984年，Xilinx公司的創(chuàng)始人之一，密西根大學(xué)畢業(yè)生，RossFreeman第一次提出了可編程邏輯器件（PLD）的概念谜酒，讓芯片成為一個(gè)空白的畫(huà)布，可由工程師通過(guò)編程在上面任意“涂鴉”妻枕。
?Freeman也因?yàn)檫@項(xiàng)發(fā)明進(jìn)入2009美國(guó)發(fā)明家名人堂。遺憾的是英年早逝的他沒(méi)能看到他所締造的FPGA帝國(guó)是多么的輝煌粘驰。
??清華大學(xué)微電子研究所所長(zhǎng)屡谐，中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)魏少軍先生曾用印一本書(shū)來(lái)區(qū)別芯片的設(shè)計(jì)、制造蝌数、封測(cè)過(guò)程：設(shè)計(jì)相當(dāng)于作家寫了一本書(shū)愕掏，制造相當(dāng)于印刷，封裝相當(dāng)于裝訂顶伞。那么FPGA是什么饵撑？如果是一個(gè)專業(yè)從事FPGA工作的老攻城獅可能會(huì)告訴你，”Field Programmable Gate Array“唆貌，然后再補(bǔ)上一句”It can be anything you want“滑潘。網(wǎng)上也有很多通俗易懂的類比。例如把FPGA的開(kāi)發(fā)看作是數(shù)字積木搭建锨咙，東南大學(xué)湯勇明老師就寫過(guò)一本《搭建你的數(shù)字積木——數(shù)字電路與邏輯設(shè)計(jì)》
一個(gè)個(gè)IP就像是一塊塊積木语卤，通過(guò)調(diào)用IP"搭建"特定功能的電路，這個(gè)比喻來(lái)說(shuō)明FPGA的開(kāi)發(fā)再合適不過(guò)了。
??也有人將FPGA比作是空白的大腦粹舵，大腦里面存在成千上萬(wàn)的神經(jīng)元細(xì)胞钮孵，但是神經(jīng)元之間并沒(méi)有連接起來(lái)，也就還沒(méi)有大腦強(qiáng)大的功能眼滤，但是當(dāng)工程師用Verilog或者vhdl來(lái)對(duì)FPGA進(jìn)行布局布線之后巴席，神經(jīng)元就連接到了一起，大腦也就有了一些功能诅需，給大腦輸入羊肉泡饃的畫(huà)面漾唉，會(huì)流口水之類的反應(yīng)。這個(gè)比喻來(lái)形容FPGA的設(shè)計(jì)原理再合適不過(guò)了诱担。
??另外毡证，還有人將FPGA中的一些組成部分和生物化學(xué)有機(jī)體類比。FPGA中最基本的單元——可編程邏輯單元（CLB）蔫仙，可以類比為有機(jī)體中的蛋白質(zhì)分子料睛，生物化學(xué)的角度上，蛋白質(zhì)可以合成更高更復(fù)雜的器官摇邦，例如心恤煞，肝，胃施籍，胳膊腿等居扒，那么同樣CLB作為電子有機(jī)體中的蛋白質(zhì)分子，當(dāng)然就可以合成一個(gè)電子有機(jī)體（類比人）的各個(gè)模塊（器官）丑慎，有的器官?gòu)?fù)雜喜喂，需要很多蛋白質(zhì)分子分層次合成，那么同樣竿裂，有的電子系統(tǒng)的模塊的也極其復(fù)雜玉吁，需要CLB分層次合成。
??那么蛋白質(zhì)分子在合成各種不同的器官的時(shí)候腻异，靠什么做指導(dǎo)嘞进副？人體內(nèi)部有著極其龐大復(fù)雜的DNA序列，這個(gè)DNA序列記錄著人體的所有信息悔常。在受精卵生成胚胎階段影斑，其中的某一段序列指導(dǎo)胚胎的這一坨（也就是這一堆蛋白質(zhì)分子）成為未來(lái)的手，另一端序列指導(dǎo)胚胎的另一堆蛋白質(zhì)分子成為未來(lái)的胳膊机打。那么同樣矫户，在FPGA中也會(huì)有等價(jià)于生物化學(xué)有機(jī)體中的DNA，就是bit_stream姐帚。bit_stream和DNA完全類似吏垮，就是一段序列障涯，指導(dǎo)著若干CLB合成某一個(gè)執(zhí)行具體功能的模塊。
??在有機(jī)體中還有脂肪的存在膳汪，脂肪的一大作用就是存儲(chǔ)能量唯蝶，在FPGA中負(fù)責(zé)存儲(chǔ)的是BRAM，不同的是脂肪儲(chǔ)存的是能量遗嗽，BRAM儲(chǔ)存的是數(shù)據(jù)粘我。????????
? FPGA中還有一個(gè)很重要的東西叫做DSP，即數(shù)字信號(hào)處理器痹换，在人的大腦里面有一片腦回溝區(qū)域?qū)ｉT負(fù)責(zé)數(shù)學(xué)運(yùn)算征字，兩者可以做一個(gè)類比。
? 生物體中還有一個(gè)十分重要的器官叫心臟娇豫，而FPGA中有一個(gè)東西叫時(shí)鐘匙姜，心臟控制脈搏，時(shí)鐘則負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的工作頻率冯痢。有了心臟氮昧，人類才得以正常活動(dòng)浦楣，有了時(shí)鐘袖肥，系統(tǒng)才得以有條不紊的運(yùn)行。
? 在FPGA的設(shè)計(jì)當(dāng)中編寫的RTL代碼振劳，通過(guò)軟件工具可以生成人類看不懂的bit_stream,也就是說(shuō)工程師每天的工作都是在編寫FPGA的DNA,在生物學(xué)領(lǐng)域椎组，我相信大多數(shù)的科學(xué)家畢生都在做著解讀‘人類天書(shū)’DNA的工作吧。這樣一一類比下來(lái)感覺(jué)FPGA的開(kāi)發(fā)就像是在造人一樣历恐，頓時(shí)感覺(jué)代碼都不枯燥了寸癌。
? 首款 FPGA，即賽靈思 XC2064弱贼，只包含 64 個(gè)邏輯模塊灵份，每個(gè)模塊含有兩個(gè) 3 輸入查找表 (LUT) 和一個(gè)寄存器。按照現(xiàn)在的計(jì)算哮洽，該器件有 64 個(gè)邏輯單元——不足 1000 個(gè)邏輯門。盡管容量很小弦聂，XC2064 晶片的尺寸卻非常大鸟辅，比當(dāng)時(shí)的微處理器還要大;而且采用 2.5 微米工藝技術(shù)勉強(qiáng)能制造出這種器件。但隨著IC制造工藝的發(fā)展莺葫，F(xiàn)PGA也迅速發(fā)展匪凉，資源爆炸式增長(zhǎng)，ZYNQ系列的Z-7100的邏輯單元已經(jīng)到了444k捺檬。
與FPGA同為PLD的還有CPLD再层，CPLD（Complex Programmable Logic Device）,復(fù)雜可編程邏輯器件。CPLD由可編程邏輯的功能圍繞一個(gè)可編程互連矩陣構(gòu)成，由固定長(zhǎng)度的金屬線實(shí)現(xiàn)邏輯單元之間的互連聂受，并增加了I/O控制模塊的數(shù)量和功能蒿秦。
FPGA由可編程邏輯塊（CLB），輸入/輸出模塊（IOB）及可編程互連資源（PIR）等三種可編程電路和一個(gè)SRAM結(jié)構(gòu)的配置存儲(chǔ)單元組成蛋济。CLB是實(shí)現(xiàn)邏輯功能的基本單元棍鳖，他們通常規(guī)則排列成一個(gè)陣列，散布于整個(gè)芯片中碗旅《纱Γ可編程輸入/輸出模塊（IOB）主要完成芯片上的邏輯與外部引腳的接口，它通常排列在芯片的四周祟辟∫教保可編程互連資源（PIR）包括各種長(zhǎng)度的連線線段和一些可編程鏈接開(kāi)關(guān)，他們將各個(gè)CLB之間或CLB與IOB之間以及IOB之間連接起來(lái)旧困，構(gòu)成特定功能的電路醇份。
? CPLD的基本結(jié)構(gòu)可看成由可編程邏輯陣列（LAB），可編程I/O控制模塊和可編程內(nèi)部連線（PIA）等三部分組成叮喳。
? 可編程邏輯陣列（LAB）:由若干個(gè)可編程邏輯宏單元（Logic Macro Cell被芳，LMC）組成，LMC主要包括與陣列馍悟、或陣列畔濒、可編程觸發(fā)器和多路選擇器等電路，能獨(dú)立地配置為時(shí)序或組合工作方式锣咒。
?CLB主要由邏輯函數(shù)發(fā)生器侵状，觸發(fā)器，數(shù)據(jù)選擇器等電路組成毅整。邏輯函數(shù)發(fā)生器主要由查找表（Look Up Table）構(gòu)成趣兄。
? 查找表LUT實(shí)質(zhì)上是一個(gè)RAM，當(dāng)用戶描述了一個(gè)邏輯電路后悼嫉，軟件會(huì)計(jì)算所有可能的結(jié)果艇潭，并寫入RAM。每一個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算戏蔑，就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表蹋凝，找出地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，輸出結(jié)果总棵。這樣也大大加快了FPGA的運(yùn)算速度鳍寂。
FPGA和CPLD的區(qū)別主要有以下幾點(diǎn)：
（1） FPGA采用SRAM進(jìn)行功能配置，可重復(fù)編程情龄，但系統(tǒng)掉電后迄汛，SRAM中的數(shù)據(jù)丟失捍壤，因此，需要在FPGA外加EPROM鞍爱，將配置數(shù)據(jù)寫入其中鹃觉，系統(tǒng)每次上電自動(dòng)將數(shù)據(jù)引入SRAM中。CPLD器件一般采用EEPROM存儲(chǔ)技術(shù)硬霍，可重復(fù)編程帜慢，并且系統(tǒng)掉電后，EEPROM中的數(shù)據(jù)不會(huì)丟失唯卖，適用于數(shù)據(jù)的保密粱玲。
（2）FPGA器件含有豐富的觸發(fā)器資源，易于實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯拜轨，如果要求實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的組合電路抽减，則需要幾個(gè)CLB結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)。CPLD的與或陣列結(jié)構(gòu)橄碾，更適用于實(shí)現(xiàn)大規(guī)模組合功能卵沉，但觸發(fā)器資源相對(duì)較少。
（3）FPGA是細(xì)顆粒度結(jié)構(gòu)法牲，CPLD是粗粒度結(jié)構(gòu)史汗。FPGA內(nèi)部有豐富連線資源，CLB分塊較小拒垃，芯片利用率高停撞。CPLD宏單元的與或陣列較大，通常不能完全被應(yīng)用悼瓮，且宏單元之間的主要通過(guò)高速數(shù)據(jù)通道連接戈毒，其容量有限，限制了器件的靈活布線横堡，因此埋市，CPLD利用率較FPGA器件低。
（4）FPGA為非連續(xù)式布線命贴，CPLD為連續(xù)式布線道宅。FPGA器件每次編程時(shí)實(shí)現(xiàn)的邏輯功能一樣，但走的路線不同胸蛛，因此延時(shí)不易控制培己，即時(shí)序延遲不可預(yù)測(cè)。CPLD每次布線路徑一樣胚泌，消除了分段式互連結(jié)構(gòu)在定時(shí)上的差異，并在邏輯單元之間提供快速且具有固定延時(shí)的通路肃弟，CPLD的延時(shí)小玷室，且時(shí)序延遲可預(yù)測(cè)零蓉。CPLD比FPGA可工作在更高的頻率。
所以FPGA是什么穷缤？
It?can be?anything you want!
