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    “本文介绍了 FPGA 的基本操作，以及 FPGA 制造商提供的设计工具如何使电子系统设计中的 FPGA 实施变得简单且可预测。”

    作者：Patrice Brossard，EMEA 垂直细分市场经理（FPGA 和 ASIC），富昌电子

    在 20 世纪 80 年代，现场可编程门阵列 (FPGA) 的早期，半导体技术的局限性意味着器件小巧简单。这些早期的 FPGA 仅具有数百个逻辑门，用于将以前在多个分立逻辑组件中实现的功能集成到单个可编程芯片中。随着设计工程师认识到 FPGA 能够减少元件数量、节省电路板空间和简化电路板布局所带来的价值，FPGA 市场迅速增长。

    半导体技术的进步意味着 FPGA 自 20 世纪 80 年代以来已经发生了转变，成为我们今天所知的大型复杂器件：在高端市场，FPGA 具有数百万个门、支持高于 30 Gbps 数据传输速率的超高速接口，以及实现嵌入式处理器、PLL、功能性 SRAM 存储器等的多个硬连线 IP 块。

    高端 FPGA 是数据处理、成像和高带宽通信设备等应用的主要解决方案，吸引了最多的关注，并占据了行业营销和促销资金的最大份额。但请记住，小型 FPGA 最初发挥的作用仍然具有价值，例如：

    · 胶合逻辑集成

    · 简单计数器或 PWM

    · 基本状态机

    · 控制逻辑

    · I/O 和接口桥接

    · I/O 扩展器

    · 多个传感器输入的聚合

    · 电压监测

    小型、低成本和低端 FGPA 的活跃市场支持这些功能及其他功能。它对 OEM 厂商的重要性体现在最近 FPGA 市场的新进入者瑞萨的到来。

    然而，对于 FPGA 在主流工业和消费电子设备中的适用性，人们的看法仍然存在分歧。熟悉微控制器的设计工程师通常将 FPGA 视为一个陌生的概念：昂贵、耗电且难以使用。

    Xilinx（现在是 AMD 的一部分）和英特尔提供的高端 FPGA 可能是如此。莱迪思半导体、Microchip 和瑞萨提供的低端 FPGA并非如此。事实上，与 MCU 相比，FPGA 的使用在许多功能上具有几个重要优势。

    在 MCU 中，任务是在软件中按顺序执行的。在 FPGA 中，任务在硬件中并行执行。因此 FPGA 操作具有有吸引力的特性：高度确定性的性能、低延迟、定制硬件的灵活性以及极低的功耗。

    本文介绍了 FPGA 的基本操作，以及 FPGA 制造商提供的设计工具如何使电子系统设计中的 FPGA 实施变得简单且可预测。

    FPGA 的基本架构

    FPGA 由三个基本元件组成，如图 1 所示：

    · 可编程逻辑元件 (LE)

    · 可编程路由互连

    · 可配置的 I/O，提供与外部世界的通信

图 1：FPGA 提供高度可编程的硬件结构

    逻辑元件由可配置查找表（LUT）和顺序元件（SE）组成。LUT 可以配置成任何类型的组合逻辑，例如 OR、AND 或 XOR。SE 通常配置成简单的触发器。

    · LE 是FPGA 的基本功能块，这也是每个FPGA 根据其包含的LE 数量进行分类的原因。FPGA市场的低端产品涵盖了几百个LE到10,000个LE之间的FPG

    · 可编程互连将配置的 LE 连接在一起，以实现应用所需的功

    · I/O也是可编程的，并且可以配置为支持任何 I/O 接口标准

    实现这些元素的底层硬件是大量的可编程开关。在大多数 FPGA 中，每次 FPGA 上电时，这些开关都会重新编程。这需要将编程文件存储在配置存储器中：该存储器可以位于 FPGA 芯片内部，也可以位于外部。

    Microchip FPGA 是这一规则的例外：它们的可编程开关采用类似于非易失性闪存的技术制成。 它们可以直接编程，不需要编程文件或配置存储器。

    如何配置FPGA硬件

    所有 FPGA 制造商都提供自己的设计工具来生成此编程文件，通常称为比特流。每个制造商的工具基本上都与其他制造商相似。这些工具提供以下功能：

    · 使用标准硬件描述语言 (HDL)（VHDL 或 Verilog）进行功能描述

    · 程序综合

    · 布局布线

    · 编程文件生成

图 2：FPGA 设计流程由每个 FPGA 制造商为其器件提供的工具提供支持

    时序分析是设计流程的一部分，用于检查影响信号通过路由结构传输的传播延迟是否与应用的性能要求一致，如图 2 所示。仿真和验证HDL工具生成的代码也很重要，以验证编程到FPGA中的功能是否按照设计规范运行。

    在整个FPGA开发过程中，没有什么比时序分析和RTL仿真的实现更困难了，而且它们也不是特别复杂。所有其他阶段均由设计工具自动执行，只需几分钟即可在标准笔记本电脑上执行。

    每个FPGA制造商都提供自己的工具集；它们之间的主要区别在于图形用户界面。只要源代码是使用标准 VHDL 或 Verilog 描述语言编写的，就可以轻松地从一种语言迁移到另一种语言。FPGA 用户通常可以通过免许可证使用这些工具。FPGA 评估板很容易以低成本获得。因此，对于想要开始尝试低端 FPGA 的工程师来说，工具和资源的成本并不是障碍。