FPGA基础知识之1——FPGA是什么？

1.什么是FPGA
    FPGA的官方解释是 : Field-Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD（不用读系列）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

    可以将FPGA理解为大量的逻辑门阵列，用户可以自由组合以实现不同的电路功能，即FPGA的可编程特性。相比于冯诺依曼结构的CPU、GPU等通用处理器，FPGA具有效率更高速度更快的优点；相比于专职专用的ASIC，FPGA则具有开发难度小，开发周期更短的优势，更适用于复杂多变的数据中心等应用

    但是FPGA也不是万能的，优势有时候也是劣势。虽然FPGA相比于CPU效率更高、功耗更低的特点，但是易于开发程度远远不如CPU；虽然相比ASIC开发周期更短，但是也存在着资源浪费，成本过高、性能较差的问题，不能真正的替代ASIC



2.FPGA的工作原理
    由于FPGA需要反复烧写，所以他实现组合逻辑的结构不能像ASIC那样通过固定的与非门来完成，而只能采用一种抑郁反复配置的结构。查找表(LUT)可以很好地满足这一要求，目前主流FPGA都采用了基于SRAM工艺的查找表结构。通过烧写文件改变查找表内容的方法来实现对FPGA的重复配置
    根据数字电路的基本知识可以知道，对于一个n输入的逻辑运算，不管是与或非运算还是异或运算等等，最多只可能存在2n种结果。所以如果事先将相应的结果存放在一个存储单元，就相当于实现了与非门电路的功能。FPGA的原理就是如此，他通过烧写文件去配置查找表的内容，从而在相同的电路情况下实现了不同的逻辑功能。
    查找表（Look-Up-Table）简称为LUT，LUT本质上就是一个RAM。目前FPGA中多实用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把真值表（即结果）事先写入RAM，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查找表，找出相应的内容，然后输出即可。LUT相比逻辑电路有这更快的执行速度和更大的规模，给出一个查找表示例：

LUT输出        LUT输出
0 0 0 0        0
0 0 0 1        0
......        .......
1 1 1 1        1

3.编程方式
    由于基于LUT的FPGA具有很高的集成度，其器件密度从数万门到数千万门不等，可以完成极其复杂的时序与组合逻辑电路功能，所以适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计领域。其组成部分主要有可编程输入/输出单元（IOB）、内嵌SRAM、丰富的不限资源、底层嵌入功能单元、内嵌专用单元等。主要设计和生产厂家有Xilinx、Altera、Lattice、Actel、Atmel和QuickLogic等公司，其中最大的是Xilinx、Altera、Lattice三家
    FPGA是由存放在片内的RAM来设置其工作状态的，因此工作室需要对片内RAM进行编程。用户可根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。FPGA有如下几种配置模式：
        1、并行模式：并行PROM、Flash配置FPGA；
        2、主从模式：一片PROM配置多片FPGA；
        3、串行模式：串行PROM配置FPGA；
        4、外设模式：将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。
    目前，FPGA市场占有率最高的两大公司Xlinx和Altera生产的FPGA都是基于SRAM工艺的，需要在使用时外接一个片外存储器以保存程序。上电是，FPGA将外部存储其中的数据读入片内RAM，完成配置后，进入工作状态；掉电后FPGA恢复为白片，内部逻辑消失。这样FPGA不仅能反复使用，还无需专门的FPGA编程器，只需通用的EPROM、PROM编程器即可