FPGA快速入门-FPGA发展概述

FPGA快速入门-FPGA发展概述
若要准确评估FPGA技术能否满足开发产品的功能、性能以及其它各方面的需求，深入理解FPGA技术是至关重要的。在产品的整个生命周期中，如果产品功能可能会有较大的升级或变更，那么使用FPGA技术来实现就会有很大的优势。
在考虑是否使用FPGA技术来实现目标产品时，我们需要重点从以下几个方面进行评估。
● 可升级性——产生在设计过程中，甚至将来产品发布后，是否有较大的功能升级需求？是否应该选择具有易于更换的同等级、不同规模的FPGA器件？
● 开发周期——产品开发周期是否非常紧迫？若使用FPGA开发，是否比其他方案具有更高的开发难度，能否面对必须在最短的时间内开发出产品的挑战？
● 产品性能——产品的数据速率、吞吐量或处理能力上是否有特殊要求？是否应该选择性能更好或速度等级更快的FPGA器件？
● 实现成本——是否有基于其它ASIC、ARM或DSP的方案，能够以更低的成本实现设计？FPGA开发所需的工具、技术支持、培训等额外的成本有哪些？通过开发可复用的设计，是否可以将开发成本分摊到多个项目中？是否有已经实现的参考设计或者IP核可供使用？
● 可用性——器件的性能和尺寸的实现，是否可以赶上量产？是否有固定功能的器件可以代替？在产品及其衍生品的开发过程中，是否实现了固定功能？
● 其它限制因素——产品是否要求低功耗设计？电路板面积是否大大受限？工程实现中是否还有其它的特殊限制？
基于以上的这些考虑因素，我们可以从如下三大方面总结出在产品的开发或产品的生命周期中，使用FPGA技术实现所能够带来的潜在优势。
● 灵活性：
可重编程，可定制。
易于维护，方便移植、升级或扩展。
降低NRE成本，加速产品上市时间。
支持丰富的外设接口，可根据需求配置。
● 并行性
更快的速度、更高的带宽。
满足实时处理的要求。
● 集成性
更多的接口和协议支持。
可将各种端接匹配元件整合到器件内部，有效降低BOM成本。
单片解决方案，可以替代很多数字芯片。
减少板级走线，有效降低布局布线难度。
当然了，在很多情况下，FPGA不是万能的。FPGA技术也存在着一些固有的局限性。从以下这些方面看，选择FPGA技术来实现产品的开发设计有时并不是明智的决定。
● 在某些性能上，FPGA可能比不上专用芯片；或者至少在稳定性方面，FPGA可能要逊色一些。
● 如果设计不需要太多的灵活性，FPGA的灵活性反而是一种浪费，会潜在的增加产品的成本。
● 相比特定功能、应用集中的ASIC，使用FPGA实现相同功能可能产生更高的功耗。
● 在FPGA中除了实现专用标准器件（ASSP）所具有的复杂功能，还得添加一些额外的功能，实属一大挑战。FPGA的设计复杂性和难度可能会给产品的开发带来一场噩梦。
上世纪60年代中期，TI公司设计制造了各式各样的实现基本逻辑门电路功能的芯片，相信今天很多的工程师仍然很熟悉这些主要面对军工应用的54XX和商业应用的74XX芯片。据说早期的工程师甚至能够单凭着这些芯片架构出一颗简单CPU的功能。还真别小瞧这些基本逻辑门电路，话说万丈高楼平地起，如果说今天在嵌入式领域呼风唤雨的各种功能强大的ARM7、ARM9、DSP是万丈高楼，那么称这些基本的逻辑门电路为一砖一瓦倒是一点也不为过。

图1 经典DIP封装的74芯片
         从1971年Intel公司的第一颗4位微处理器Intel 4004到上世纪80年代初被奉为经典的8051单片机，再到今天各大嵌入式处理器厂商竞相使用的由ARM公司推出的各种Cortex内核，嵌入式处理器的发展不可不说是翻天覆地。不过话又说回来，如果深入处理器的底层结构，你会发现他们最本质的东西并没有太大的改变。而处理器再强大，一颗芯片尽可以将各种外设嵌入其中，但对于任何一颗已经批量出货的芯片而言，它的功能是固定的，若想在既有外设功能的基础上有任何的扩展，或许不是遇到电气特性不支持就是遇到IO太少的尴尬，而这些问题也就催生了可编程逻辑器件的诞生。今天的CPU周围已很难看见54或74字样的ASIC了，取而代之的可能是管脚密集的CPLD或FPGA。的确，在系统的可扩展性和灵活性方面，FPGA/CPLD有着得天独厚的优势。当然了，今天动辄上百万门的FPGA器件可不是为干这点活而制造的，它更多的被应用到了通信、数据采集、网络、图像处理、算法实现等对数据传输吞吐量和处理速度有更高要求的场合。

图2 CPU的鼻祖Intel 4004
         今天大家熟知的FPGA/CPLD也不是一开始就有的，第一款可编程逻辑器件（PLD）最初是在1970年以PROM的形式进入人们的视野，这种PROM结构的可编程逻辑器件可以实现简单的逻辑功能，很容易便可替代当时流行的54或74系列逻辑门电路。
受限于PROM的结构，第一款可编程逻辑器件的输入接口相对较少。因此，可编程逻辑阵列（PAL）便孕育而生，PAL由一个可编程的“与”平面和一个固定的“或”平面构成，或门的输出可以通过触发器有选择地被置为寄存状态。PAL器件是现场可编程的，它的实现工艺有反熔丝技术、EPROM技术和EEPROM技术。PAL的问题在于其实现方式使得信号通过可编程连线的时间相对较长。在PAL的基础上，又发展了一种通用阵列逻辑GAL，它要比PAL速度快许多，它采用了EEPROM工艺，实现了电可擦除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。

图3 如今已经绝迹的PAL/GAL
这些早期的PLD器件的一个共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但其过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。电子领域的发展趋势总是朝着速度更快、功能更强、体积更小、成本更廉价的方向迈进。复杂可编程逻辑器件（CPLD）的诞生也就顺理成章了。Altera公司于1984年发明了基于CMOS和EPROM技术相结合的CPLD。CPLD可实现的逻辑功能相比PAL和GAL有了大幅度的提升，已经可以胜任设计中复杂性较高、速度也较快的逻辑功能，尤其在接口转换、总线控制和扩展方面有着较多的应用。经过几十年的发展，今天的CPLD功能和性能也得到了进一步的提升，其基本结构由可编程IO单元、基本逻辑单元、布线池以及其他相关辅助功能块组成。Altera、Xilinx和Lattice是主要的CPLD供应商。

图4 也是火过一时的CPLD
其实无论是前面提到的PAL、GAL或是CPLD，要实现大规模的复杂逻辑电路都显得无能为力。而ASIC的设计耗时又费钱，而且功能固定，在流片后很难随意更改。鉴于此，Xilinx创始人之一Ross Freeman发明了现场可编程门阵列（FPGA），Freeman先生发明的FPGA是一块全部由“开放式门”组成的计算机芯片。采用该芯片，工程师可以根据需要进行灵活编程，添加各种新功能，以满足不断发展的协议标准或规范，工程师们甚至可以在设计的最后阶段对它进行修改和升级。Freeman先生当时就推测低成本、高灵活性的FPGA将成为各种应用中定制芯片的替代品。也正是由于此项伟大的发明，让Freeman先生于2009年荣登美国发明家名人堂。

图5 FPGA发明人Ross Freeman
三十多年后的今天，伴随着制造工艺的不断进步，FPGA在深亚微米甚至深亚纳米时代一直走在了创新第一线。如今的FPGA器件，其组成不仅限于基本的可编程逻辑单元、可编程IO单元、丰富的布线资源，而且还拥有灵活的时钟管理单元、嵌入式块RAM以及各种通用的内嵌功能单元，很多器件还顺应市场需求内嵌专用的硬件模块。近些年来，可编程器件的龙头老大Xilinx和Altera更是相继推出了硬核CPU+FPGA的产品，此举大有单芯片横扫千军的架势。


图6 野心十足的ARM+FPGA
电子行业在继续挑战摩尔定律的征程中，无论是可编程器件继续大放光彩，还是ASIC能够重获新生。可编程器件，尤其是FPGA器件的发明和大量应用已经足够让我们竖然起敬。相信对于很多即将或者已经走上电子硬件设计的同仁们，对可编程器件的了解、熟悉甚至精

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