FPGA入门的基本概念和知识介绍

与典型的微控制器相比，现场可编程门阵列FPGA是一种能够提供更强性能和灵活性的器件，本文通过解答几个有关FPGA的常见问题——什么是FPGA、为什么我会需要FPGA、如何为FPGA编程——为开发者提供FPGA入门所需的基本概念和知识。

如果您是二元思维的人，那么不要错过第1到4部分内容。在这篇博客中，我将简单介绍我最感兴趣的电子器件：现场可编程门阵列（FPGA）。

当我和人们谈起FPGA时，我听到很多人说：“我不知道它们的工作原理”、“它们太复杂了”、“我无法用C语言编程”。我不希望看到这样一种神奇的器件遭受如此冷遇，因此下面我将尝试解答一些常见问题（FAQ）。

问题1：什么是现场可编程门阵列？

详细解答如下：顾名思义，有人推断它是可编程的逻辑门结构。这种解释很接近，但又不太准确，因为内部逻辑阵列实际并不是利用门来实现的。相反，我们将阵列中的这些块称为“逻辑单元”。这些逻辑单元通常由查找表 （LUT）（用于实现任意逻辑功能）以及一些辅助电路（例如多路复用器、加法器和触发器）构成。您会经常听到人们将这种逻辑单元阵列称为“FPGA结构”。

简而言之，我可以将FPGA比作一个盒子，里面装有各种没有商标、用于构建数字电路的彩色构件。我可以通过适合我的应用的任何方式，将这些构件连接到一起。

如果您能描述数字电路如何工作，就能用足够的逻辑单元在FPGA内构建该电路。需要25个PWM输出？没问题。需要特殊通信协议？对某些硬件进行编程来处理该协议。

问题2：为什么我会需要FPGA？

FPGA可用于实现数字系统，但简单的微控制器通常也能够达到同样的效果。微控制器价格低廉，而且易于放置在印刷电路板上。虽然FPGA是一种功能强大的工具，但未必适合所有情况。它们有更多的功耗、布局和外部电路要求，甚至可能非常苛刻。使用成本高昂且具有诸多特殊要求的FPGA似乎有些不合时宜。

但您也许已经猜到了需要FPGA的原因：灵活性。您拥有可配置的逻辑块，就意味着不再受到硬件的制约。您不会再遇到定时器或UART不够用的情况，只要您拥有逻辑单元便可创建更多定时器或UART。它能够随着技术和要求的变化，在今后进行重新配置，从而延长产品的生命周期。

第二个原因是速度。微控制器只能按顺序一次执行一条指令。由于硬件特性，FPGA结构本身是并行的。因此它能同时执行多个指令，这对于FFT或图形处理等操作非常有用，因为在按顺序执行的处理器上，这些操作可能产生很高的成本。与LVDS等典型微控制器相比，FPGA还提供了更多高速I/O选项，收发器能够以10+Gbps的速度处理HDMI等协议。

问题3：如何为FPGA编程？

FPGA采用一种名为HDL（即硬件描述语言）的特殊语言。它主要包含两种语言：Verilog和VHDL。几乎所有开发套件（例如Quartus或Vivado）都支持这两种语言，所以选择哪种语言只是偏好问题。

然后对这两种语言进行“合成”，这类似于微控制器的编译。合成工具告诉FPGA如何连接其逻辑单元，以产生代码所描述的效果。请记住，代码被转换为硬件指令而非CPU指令，在您开始使用时，务必牢记这一点。

为了简化开发，FPGA供应商提供了常用代码块目录，供您轻松置入到设计中。其中包括倍频器、RAM和通信块等。您可对它们进行配置并添加到设计中，而无需查看涉及的HDL代码，从而加快开发速度。

有些供应商还提供高级别合成（HLS） 工具，能够将使用C或C++语言编写的功能转换为HDL代码块。使用这些工具，可以通过抽除一些低级别细节，显著减少具有软件背景的开发人员的入门障碍。

仍然不太相信？我最喜欢的FPGA功能之一是它能够使用软处理器。软处理器是从FPGA的逻辑单元构建的完整处理器。利用软处理器，您能够为处理器构建定制的辅助硬件，并使用C语言编写应用程序。您可在短短几分钟内完成简单的软处理器系统设置和编程。如果您仍然需要传统处理器，可考虑在单一封装中包含FPGA和硬ARM处理器的SoC。

总而言之，与典型的微控制器相比，FPGA的成本更高，使用难度更大，但如果您需要，它们能够提供更强的性能和灵活性。随着技术的改进，集成度的提高，FPGA的成本变得更低，它们甚至能够取代传统的微控制器。
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