什么是FPGA？

我们生活在一个由模拟构成的世界中。不过，数字处理的出现，为我们体验这个世界并与之互动带来了全新的方式，包括卫星导航、自动驾驶汽车、增强现实，当然还有那永远都离不了身的手机。

要想实时或者准实时地处理那么多信息，就必须要有强大的处理能力，这样的处理能力显然是受益于摩尔定律的。对于设计工程师而言，他们也可以从多种处理技术中来进行选择，以便将最合适的技术运用到手边的应用中。这些处理技术涵盖了传统处理器、图形处理单元（GPU）和可编程逻辑（PL）。

在上述处理技术中，可编程逻辑恐怕是最鲜为人知的一种，人们也往往认为它是用起来最具挑战性的处理技术之一。

No.1

可编程逻辑的优势可编程逻辑能够让用户在真正意义上并行实现其算法和应用，从而创造出更具有确定性、响应更加迅速的解决方案，因而适用于需要实时处理和响应的场景，例如视觉和信号处理以及雷达等。 传统意义上，可编程逻辑器件可分为复杂可编程逻辑器件（CPLD）与现场可编程门阵列（FPGA）两种类别， 其中CPLD基于“门海”（sea-of-gate）的方式提供由寄存器和逻辑函数构成的简单器件结构。

至于FPGA，它提供的结构要比CPLD更加复杂，通常还会包含多种专用硬件元件，例如存储块、数字信号处理、时钟管理、千兆串行收发器和IO块。

No.2

FPGA的构成要素FPGA的基本构成要素是查找表（LUT）、寄存器和灵活IO单元结构，其中LUT能够实现逻辑方程式，而寄存器则为实现顺序逻辑设计提供了必要的存储元件。LUT和寄存器结合在一起，即可实现通常所说的“逻辑片”，其简单示例如（图1）所示。现代器件中的这些逻辑片包含诸多选项，以便实现组合逻辑电路或时序逻辑电路，这些选项包括本地分布式内存，以及可通过配置将LUT用作移位寄存器的功能。

图1：简单的LUT结构

在FPGA器件中，通常将两个逻辑片组合在一起，形成可配置逻辑块（CLB）。这些CLB相互连接，以便通过路由和交换矩阵实现必要的功能，如图2所示。

图2：可通过交换矩阵配置路由块和互连

No.3

FPGA设计FPGA通常使用硬件描述语言（HDL）设计，其中最常见的两种是Verilog和VHDL。和传统的软件语言相比，这些语言需要在更加低级的层面上定义设计，它们具体描述的是寄存器级别上的传输，例如实现状态机、计数器等。VHDL和Verilog都固有地支持并发的概念，这是对FPGA架构的并行架构进行建模所必需的。此外，通过高级综合（HLS）使用C、C++或OpenCL等高级语言开发FPGA IP块的做法也正变得越来越普遍。虽然这些语言并不支持并行，但工程师可以使用编译器指令来指示并行结构，而使用更高级的语言有助于工程师更快地完成开发和验证。 FPGA器件的IO结构可以直接对接各种IO标准，包括LVCMOS等单端标准以及LVDS、TMDS等差分标准。但这种IO结构的“技能”可远不止于此——现代化的IO结构还可以实现片上端接、精细PS延迟，甚至SerDes结构。也就是说，FPGA有效地提供了各种对接接口，连接起了各种标准、定制或传统接口。这种灵活性还使系统设计人员摆脱了引脚绑定的束缚，这与使用带固定IO引脚分配的专用标准产品（ASSP）有着显著区别。 因此，要设计出可编程逻辑设计解决方案，需要执行以下步骤：

合成 – 将HDL设计转换为一系列逻辑方程，然后将其映射到目标FPGA中可用的资源上。

放置 – 把合成工具确定的逻辑资源放置到目标器件中的可用位置。

路由 – 使用路由和交换矩阵将设计中放置的逻辑资源互连，以实现最终应用。

位文件 – 生成目标FPGA的最终编程文件。

通过仿真，工程师可以确保他们实现的设计在功能上符合设计要求。他们可以创建激发RTL（寄存器传输级别）模块的测试平台，这些平台可以提供输入并监视结果输出，然后通过查看仿真波形来验证这些模块的行为，如（图3）所示。或者，他们也可以编写更复杂的测试平台，用来检查和验证输出。

图3：RTL仿真输出

尽管FPGA在性能和接口上具有显著优势，但开发基于FPGA的解决方案可能会比开发传统软件更加复杂。不过，我们有现代化的设计工具，尤其是高级合成工具以及各种可以免费获取的知识产权，并且现代化器件的功能也更加强大，这些都让“FPGA更难开发”成为了历史。

No.4

器件产品系列如果您还不熟悉FPGA的历史，这里就先简单地介绍一下。FPGA是Ross Freeman和Bernard Vonderschmitt于1985年随着XC2064的发布而发明的，这款FPGA先驱产品具有64个可配置逻辑块。今天，Xilinx的现代化器件可为用户提供893.8万个系统逻辑单元、3840个DSP元件、76Mb块内存和90Mb的UltraRAM——这与最初的产品相比堪称巨大飞跃。 当然，上面提到的器件是Xilinx现阶段最大型的FPGA产品，对许多应用而言确实有点杀鸡用牛刀了。为了帮助指导工程师选择适合其应用的FPGA，Xilinx提供了一系列FPGA和片上系统器件，这些器件能够支持多个不同系列的各种解决方案。 Xilinx围绕28nm节点开发了一系列成本优化型产品，总共提供三个不同的器件系列，均针对不同的用户需求进行了优化。

Spartan-7 FPGA：该系列是广受欢迎的Spartan-6系列器件的后继产品，可为开发人员提供比旧技术45nm节点更高的性能和更低的功耗。Spartan-7还经过了I/O优化，在成本优化的FPGA产品组合中是一个引脚数量非常高的系列。

Artix-7 FPGA：这是Xilinx 7产品线中的全新系列，针对收发器进行优化，具有6.6Gbps高速收发器。

Zynq-7000 SoC：该系列在初次亮相时颇具革新意义，它为业界带来了将硬核Arm Cortex-A9处理器与FPGA架构相结合的新型器件。这种新型器件可以提供集成系统解决方案，并且具有功耗更低、解决方案整体体积更小、EMI显著降低等优势。

该产品组合中的器件可以支持从传感器融合到精确控制、图像处理和云计算等一系列应用。

No.5

高端解决方案对于超高性能和更专业的应用，Xilinx提供了28nm、20nm和16nm三个技术节点上的Kintex和Virtex系列。随着UltraScale和UltraScale+系列器件的不断发展，其性能和功能得到了显著提高。 Kintex器件在三个技术节点上提供了不断提升的性能、逻辑资源和收发器：从Kintex器件中的6.55万个逻辑单元到Kintex UltraScale+器件中的11.43万个逻辑单元。它们提供GTH和GTY千兆收发器，分别支持高达16.3Gbps和32.75Gbps的数据传输速率。

Virtex是Xilinx FPGA中性能最高的系列。这些器件不仅提供多达893.8万个系统逻辑单元和58Gbps高速收发器，而且还支持高带宽存储器（HBM）。该系列产品具有4GB至16GB的片上DRAM和高达460Gbps的带宽，其内存性能是DDR4 DIMM的约20倍。Virtex HBM器件适用于为网络和存储加速的应用。

No.6

工具链

Xilinx开发工具支持从最小的Spartan-7到最大的Virtex UltraScale+的所有器件，涵盖了设计生命周期中的各个方面，从RTL捕获直到仿真以及开发用于处理器核心的软件。

Vivado设计套件：Vivado可以对设计、RTL仿真以及合成、放置、路由和生成位文件的实施过程进行捕获。

Vivado HLS：高级合成工具，让工程师能够使用C或C++来开发IP。

Vitis一体化软件平台：Vitis支持嵌入式处理器的软件开发，以及使用OpenCL进行加速。

PetaLinux工具：PetaLinux是用于嵌入式处理器的嵌入式Linux解决方案。

当然，您还可以选用其他各种商业和开源软件工具，它们涵盖了从合成到仿真的各个阶段；此外，同时支持仿真和形式验证的验证工具正变得越来越多。

原文标题：何为FPGA？

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