FPGA,FPGA工作原理是什么?

FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）是專用集成電路（ASIC）中集成度最高的一種，用戶可對FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)用戶的邏輯，因而也被用于對CPU的模擬。用戶對FPGA的編程數(shù)據(jù)放在Flash芯片中，通過上電加載到FPGA中，對其進(jìn)行初始化。也可在線對其編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在線重構(gòu)，這一特性可以構(gòu)建一個(gè)根據(jù)計(jì)算任務(wù)不同而實(shí)時(shí)定制的CPU，這是當(dāng)今研究的熱門領(lǐng)域。

和其他可編程邏輯器件一樣，F(xiàn)PGA也由未完成的邏輯陣列所組成，通過將這些邏輯陣列連接到一起來完成一定的功能。像PAL一樣，各個(gè)陣列單元之間的互連續(xù)是可以編程的。下面介紹FPGA的發(fā)展過程。

1985年，Xilinx公司推出了世界上第一款FPGA。推出的這款FPGA包括兩個(gè)器件和支持市局布線的設(shè)計(jì)工具。FPGA的發(fā)展非?？?，在不到10年的時(shí)間里，時(shí)鐘頻率就從不到10MHz提高到100MHz。設(shè)計(jì)規(guī)則已經(jīng)達(dá)到亞微米級別，F(xiàn)PGA芯片的規(guī)模也從幾千門增加到2萬多等效門。大量功能強(qiáng)大易用的軟件工具也相繼推出，使得FPGA很快占領(lǐng)了電子設(shè)計(jì)領(lǐng)域很大的一塊市場。

20世紀(jì)80年代推出的FPGA可以說是Intel公司于1971年推出第一款商用微處理器的延續(xù)。那個(gè)時(shí)期，典型的微處理器系統(tǒng)包含微處理器、存儲器和一些特殊功能的中小規(guī)模(MSI/SSI)器件。為追求更佳的件能、更小的尺寸、更低的成本、更快的錯(cuò)誤恢復(fù)能力、高可靠性以及更快更易使用的原型，集成電路的設(shè)計(jì)者都意識到一定會有一種器件要取代當(dāng)時(shí)的中小規(guī)模電路。這個(gè)概念的第一個(gè)嘗試是Signetics公司于1975年推出的83S100 FPLA(現(xiàn)場可編程邏輯陣列)。這款可編程器件實(shí)際上是一款PLA結(jié)構(gòu)的器件。它由16個(gè)輸人、48個(gè)乘積項(xiàng)與陣列、8個(gè)輸出、48個(gè)乘積項(xiàng)或陣列構(gòu)成，通過Ni-Cr熔絲實(shí)現(xiàn)連續(xù)的斷開或連接。這種方法在以降低速度和增加功耗為代價(jià)的前提下，給了設(shè)計(jì)師們很大的電路設(shè)計(jì)空間。但是這款可編程器件需要人工來設(shè)置熔絲的斷或合，因此很復(fù)雜而且容易出錯(cuò)。

鑒于當(dāng)時(shí)各種可編程器件的速度、結(jié)構(gòu)等都不能很好地滿足巾場的需求，Xilinx于1985年推出了2000系列的FPGA。該系列的FPGA是世界上第一款基于SRAM的可編程FPGA，包括兩個(gè)器件：第一個(gè)器件由8x8〔共64個(gè))的可配置邏輯模塊(CLB Configurable Logic Block)構(gòu)成，并在芯片的周邊提供了58個(gè)輸入輸出接口模塊(IOB，I/O Block)；第二個(gè)器件出10xl0的CLB構(gòu)成，并提供了總共74個(gè)IOB單元。自Xilinx推出第一款FPGA之后，世界上的其他公司也相繼推出各自的FPGA品。如Actel推出很有特色的反熔絲(Anti-fused)FPGA。FPGA市場內(nèi)的競爭也愈演愈烈，IC的制造商都意識到必須提供更加強(qiáng)大更易使用的新產(chǎn)品才能出有市場。在這種形勢下，Xilinx在1987年就推出了它的第二款3000系列的FPGA，距第一款FPGA的推出只有2年的時(shí)間。也就是在那時(shí)，AT＆T成功地獲得這款FPGA器件的設(shè)計(jì)使用權(quán)。并開始提供自己的芯片和開發(fā)系統(tǒng)，即AT＆T 3000系列FPGA。

自從第二代FPGA問世以來，各種FPGA的應(yīng)用開始層出不窮，電路復(fù)雜度也相繼上升。這時(shí)，Xilinx就開始研制第三代FPGA產(chǎn)品，AT＆T也開始開發(fā)自己的下一代FPGA。Xilinx的第三代FPGA產(chǎn)品于1991年問世，而AT＆T的下一代產(chǎn)品育到1992年才研制成功。認(rèn)識到FPGA市場潛在的廣闊空間，很多IC和軟件廠商也開始向FPGA領(lǐng)域進(jìn)軍，包括一些著名的公司，如Actel、AMD、A1tera、Intel、Mento Graphics、Texas Instruments以及Toshiba。

Xilinx的成功不僅僅得益于它的硬件產(chǎn)品，軟件也是很重要的一個(gè)砝碼。更快、更智能、易用的原理圖編輯、設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證工具始終都是Xilinx在FPGA領(lǐng)域內(nèi)成功的一個(gè)法寶。

為了能讓不太熟悉FPGA的讀者能夠?qū)PGA有一個(gè)整體印象，這里以Xilinx 4000系列的FPGA為例簡單說明它的設(shè)汁能力。XC4025包含大約1024個(gè)CLB，它們按32x32的矩陣形式排列在FPGA芯片里，這相當(dāng)于25 000個(gè)等效門。這款FPGA包含422Kbit的RAM，主要用于編程。一個(gè)CLB的運(yùn)行頻率可達(dá)250MHz，但如果將互連線網(wǎng)絡(luò)引入的延遲以及像加法器這樣更復(fù)雜的邏輯考慮進(jìn)去，還可以獲得20-50MHz的時(shí)鐘頻率。直觀地講，加法器這樣的邏輯是由大量的CLB來構(gòu)成的，例如個(gè)32bit的加法器要用掉62個(gè)CLB。