FPGA基本原理

概述

1984年，Xilinx创造了FPGA，FPGA(Field Programmable Gate Array)是在PAL、EPLD、CPLD等可编程逻辑器件的基础上进一步发展的产物。

目前主流的FPGA均基于查找表（LUT）技术实现，FPGA内部功能单元包括：

• 可编程I/O
• 基本可编程逻辑单元（CLB）
• 时钟管理模块（DCM）
• 嵌入式块存储器（BRAM）
• 丰富的布线资源
• 内嵌的底层功能单元（如DLL,PLL,DSP和CPU等软核）
• 内嵌专用硬件模块（如专用乘法器、PCIe控制器、Serdes模块等硬核）

FPGA主要应用在以下领域：

• 通信设备的高速接口电路设计，一般如果AD采样率高，数据速率高，就需要FPGA对数据进行处理，比如对数据进行抽取滤波、降低数据速率、使信号容易处理、传输和存储；
• 数字信号处理方向/数学计算方向，包括图像处理、雷达信号处理、医学信号处理等，优势是实时性好，用面积换速度；
• SOPC，即利用FPGA搭建一个嵌入式系统的底层硬件环境；

主流厂商

Xilinx和Altera占据了90%左右的市场份额。

厂商	国家	开发软件	动态
Xilinx	美国	Vivado	被AMD收购
Altera	美国	Quartus	被Intel收购
Lattice	美国	Diamond	1983年在俄勒冈州成立，在Serdes方面颇有建树，产品覆盖广。
Actel	美国		1985年成立于纽约，一直效力于美国军工和航天领域，基于Flash结构，主要生产反熔丝系列产品，此外还推出可重复擦除的ProASIC3系列。
Atmel	美国		1984年成立，主营MCU，附带生产PSOC产品。
QuickLogic	美国
紫光同创（Pango）	中国		布局高端市场
上海复旦微电子	中国	Procise	布局高端市场
安路科技	中国		布局中低端市场
上海遨格芯微电子（AGM）	中国		布局中低端市场
国微电子	中国
成都华微电子	中国
智多晶	中国
高云半导体	中国
京微齐力	中国

开发语言

一般使用Verilog HDL或者VHDL，但是一流厂家内部大部分使用System Verilog。

工作原理

 FPGA采用逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）的概念，内部主要包括基本可编程逻辑单元CLB(Configurable Logic Block)、输入输出模块IOB(Input Output Block)和内部连线（Interconnect）三部分。FPGA利用小型查找表来实现组合逻辑。

 

设计流程

1. 功能定义/器件选型
2. 设计输入(Verilog HDL)
3. 功能仿真（ModelSim、Sysnopsys VCS等仿真软件）
4. 逻辑综合（将Verilog HDL的硬件描述转化成低层次的描述，即转化成由与门、或门、非门、RAM、触发器等基本逻辑单元组成的逻辑连接网表，而非真实的门级电路） 
5. 布局布线与实现（将逻辑网表配置到具体的FPGA芯片）
6. 编程调试（产生位流文件，Bitstream Generator，将编程数据加载到FPGA芯片中进行调试）