??FPGA技術(shù)的發(fā)展歷史

　　縱觀數(shù)字集成電路的發(fā)展歷史，經(jīng)歷了從電子管、晶體管、小規(guī)模集成電路到大規(guī)模以及超大規(guī)模集成電路等不同的階段。發(fā)展到現(xiàn)在，主要有3類(lèi)電子器件：存儲(chǔ)器、處理器和邏輯器件。

　　存儲(chǔ)器保存隨機(jī)信息（電子數(shù)據(jù)表或數(shù)據(jù)庫(kù)的內(nèi)容）；處理器執(zhí)行軟件指令，以便完成各種任務(wù)（運(yùn)行數(shù)據(jù)處理程序或視頻游戲）；而邏輯器件可以提供特殊功能（器件之間的通信和系統(tǒng)必須執(zhí)行的其他所有功能）。

　　邏輯器件分成兩類(lèi)：

　　① 固定的或定制的。

　?、?可編程的或可變的。

　　其中，固定的或定制的邏輯器件通常稱(chēng)為專(zhuān)用芯片（ASIC）。ASIC是為了滿足特定的用途而設(shè)計(jì)的芯片，例如MP3解碼芯片等。其優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)固化的邏輯功能和大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，降低了芯片的成本，同時(shí)提高了產(chǎn)品的可靠性。隨著集成度的提高，ASIC的物理尺寸也在不斷的縮小。

　　但是，ASIC設(shè)計(jì)的周期很長(zhǎng)，而且投資大，風(fēng)險(xiǎn)高。一旦設(shè)計(jì)結(jié)束后，功能就固化了，以后的升級(jí)改版困難比較大。電子產(chǎn)品的市場(chǎng)正在逐漸細(xì)分，為了滿足快速產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，產(chǎn)生了現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（FPGA）。

　　自1984年Xilinx公司推出了第一片現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（FPGA）至今，F(xiàn)PGA已經(jīng)歷了20幾年的快速發(fā)展歷程。特別是近幾年來(lái)，更是發(fā)展迅速。FPGA的邏輯規(guī)模已經(jīng)從最初的1000個(gè)可用門(mén)發(fā)展到現(xiàn)在的1000萬(wàn)個(gè)可用門(mén)。

　　FPGA技術(shù)之所以具有巨大的市場(chǎng)吸引力，其根本原因在于：FPGA不僅可以解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性等問(wèn)題，而且其開(kāi)發(fā)周期短、投入少，芯片價(jià)格不斷下降。FPGA正在越來(lái)越多地取代傳統(tǒng)上ASIC，特別是在小批量、個(gè)性化的產(chǎn)品市場(chǎng)方面。

　　FPGA技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向

　　隨著芯片設(shè)計(jì)工藝水平的不斷提高，F(xiàn)PGA技術(shù)呈現(xiàn)出了以下4個(gè)主要的發(fā)展動(dòng)向。

　　1．基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)（SoPC）技術(shù)正在成熟

　　System on Chip（SoC）技術(shù)在芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域被越來(lái)越廣泛地采用，而SoPC技術(shù)是SoC技術(shù)在可編程器件領(lǐng)域的應(yīng)用。這種技術(shù)的核心是在FPGA芯片內(nèi)部構(gòu)建處理器。Xilinx公司主要提供基于Power PC的硬核解決方案，而Altera提供的是基于NIOSII的軟核解決方案。

　　Altera公司為NIOSII軟核處理器提供了完整的軟硬件解決方案，可以讓客戶短時(shí)間完成SoPC系統(tǒng)的構(gòu)建和調(diào)試工作。

　　2．FPGA芯片向高性能、高密度、低壓和低功耗的方向發(fā)展

　　隨著芯片生產(chǎn)工藝不斷提高，F(xiàn)PGA芯片的性能和密度都在不斷提高。早期的FPGA主要是完成接口邏輯設(shè)計(jì)，比如AD/DA和DSP的粘合邏輯?，F(xiàn)在的FPGA正在成為電路的核心部件，完成關(guān)鍵功能。

　　在高性能計(jì)算和高吞吐量I/O應(yīng)用方面，F(xiàn)PGA已經(jīng)取代了專(zhuān)用的DSP芯片，成為最佳的實(shí)現(xiàn)方案。因此，高性能和高密度也成為衡量FPGA芯片廠家設(shè)計(jì)能力的重要指標(biāo)。

　　隨著FPGA性能和密度的提高，功耗也逐漸成為了FPGA應(yīng)用的瓶頸。雖然FPGA比DSP等處理器的功耗低，但是要明顯高于專(zhuān)用芯片（ASIC）的功耗。FPGA的廠家也在采用各種新工藝和技術(shù)來(lái)降低FPGA的功耗，并且已經(jīng)取得了明顯的效果。

　　例如，Altera公司的StratixIII系列FPGA的功耗比上一代產(chǎn)品StratixII系列降低了50%以上。

　　3．基于IP庫(kù)的設(shè)計(jì)方法

　　未來(lái)的FPGA芯片密度不斷提高，傳統(tǒng)的基于HDL的代碼設(shè)計(jì)方法很難滿足超大規(guī)模FPGA的設(shè)計(jì)需要。隨著專(zhuān)業(yè)的IP庫(kù)設(shè)計(jì)公司不斷增多，商業(yè)化的IP庫(kù)種類(lèi)會(huì)越來(lái)越全面，支持的FPGA器件也會(huì)越來(lái)廣泛。

　　作為FPGA的設(shè)計(jì)者，主要的工作是找到適合項(xiàng)目需要的IP庫(kù)資源，然后將這些IP整合起來(lái)，完成頂層模塊設(shè)計(jì)。由于商業(yè)的IP庫(kù)都是通過(guò)驗(yàn)證的，因此整個(gè)項(xiàng)目的仿真和驗(yàn)證工作主要就是驗(yàn)證IP庫(kù)的接口邏輯設(shè)計(jì)的正確性。

　　目前，由于國(guó)內(nèi)的知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)的相關(guān)法律法規(guī)還不盡完善，基于IP庫(kù)的設(shè)計(jì)方法還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。但是隨著FPGA密度不斷提高和IP庫(kù)的價(jià)格逐漸趨于合理化，這種設(shè)計(jì)方法將會(huì)成為主流的FPGA設(shè)計(jì)技術(shù)。

　　4．FPGA的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)

　　FPGA動(dòng)態(tài)重構(gòu)技術(shù)主要是指對(duì)于特定結(jié)構(gòu)的FPGA芯片，在一定的控制邏輯的驅(qū)動(dòng)下，對(duì)芯片的全部或部分邏輯資源實(shí)現(xiàn)高速的功能變換，從而實(shí)現(xiàn)硬件的時(shí)分復(fù)用，節(jié)省邏輯資源。

　　由于密度不斷提高，F(xiàn)PGA能實(shí)現(xiàn)的功能也越來(lái)越復(fù)雜。FPGA全部邏輯配置一次的需要的時(shí)間也變長(zhǎng)了，降低了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。局部邏輯的配置功能可以實(shí)現(xiàn)“按需動(dòng)態(tài)重構(gòu)”，大大提高了配置的效率。

　　動(dòng)態(tài)可重構(gòu)的FPGA可以在系統(tǒng)運(yùn)行中對(duì)電路功能進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，實(shí)現(xiàn)硬件的時(shí)分復(fù)用，節(jié)省了資源，主要適用于以下兩個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　① 最新通信系統(tǒng)。

　　FPGA的動(dòng)態(tài)重構(gòu)特性可以適應(yīng)不同體制和不同標(biāo)準(zhǔn)的通信要求，滿足軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展和第三代（3G）和第四代（4G）移動(dòng)通信系統(tǒng)的需要。

　?、?重構(gòu)計(jì)算機(jī)：FPGA具有并行處理能力和動(dòng)態(tài)配置能力，可自動(dòng)改變硬件來(lái)適應(yīng)正在運(yùn)行的程序，產(chǎn)生了基于這種軟硬件環(huán)境的全新概念的計(jì)算機(jī)。

　　FPGA的工作原理和基本特點(diǎn)

　　1）采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路（專(zhuān)用集成電路），用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。

　　2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。

　　3）FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。

　　4）FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開(kāi)發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。

　　5） FPGA采用高速CMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。

　　可以說(shuō)，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。

　　FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無(wú)須專(zhuān)用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時(shí)，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。

　　FPGA的應(yīng)用

　　1.電路設(shè)計(jì)中FPGA的應(yīng)用

　　連接邏輯，控制邏輯是FPGA早期發(fā)揮作用比較大的領(lǐng)域也是FPGA應(yīng)用的基石。事實(shí)上在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用FPGA的難度還是比較大的這要求開(kāi)發(fā)者要具備相應(yīng)的硬件知識(shí)（電路知識(shí)）和軟件應(yīng)用能力（開(kāi)發(fā)工具）這方面的人才總是緊缺的，往往都從事新技術(shù)，新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成功的產(chǎn)品將變成市場(chǎng)主流基礎(chǔ)產(chǎn)品供產(chǎn)品設(shè)計(jì)者應(yīng)用在不遠(yuǎn)的將來(lái)，通用和專(zhuān)用IP的設(shè)計(jì)將成為一個(gè)熱門(mén)行業(yè)！搞電路設(shè)計(jì)的前提是必須要具備一定的硬件知識(shí)。在這個(gè)層面，干重于學(xué)，當(dāng)然，快速入門(mén)是很重要的，越好的位子越不等人電路開(kāi)發(fā)是黃金飯碗。

　　2.產(chǎn)品設(shè)計(jì)

　　把相對(duì)成熟的技術(shù)應(yīng)用到某些特定領(lǐng)域如通訊，視頻，信息處理等等開(kāi)發(fā)出滿足行業(yè)需要并能被行業(yè)客戶接受的產(chǎn)品這方面主要是FPGA技術(shù)和專(zhuān)業(yè)技術(shù)的結(jié)合問(wèn)題，另外還有就是與專(zhuān)業(yè)客戶的界面問(wèn)題產(chǎn)品設(shè)計(jì)還包括專(zhuān)業(yè)工具類(lèi)產(chǎn)品及民用產(chǎn)品，前者重點(diǎn)在性能，后者對(duì)價(jià)格敏感產(chǎn)品設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能為主要目的。

　　FPGA技術(shù)是一個(gè)實(shí)現(xiàn)手段在這個(gè)領(lǐng)域，F(xiàn)PGA因?yàn)榫邆浣涌?，控制，功能IP，內(nèi)嵌CPU等特點(diǎn)有條件實(shí)現(xiàn)一個(gè)構(gòu)造簡(jiǎn)單，固化程度高，功能全面的系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)將是FPGA技術(shù)應(yīng)用最廣大的市場(chǎng)，具有極大的爆發(fā)性的需求空間產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)技術(shù)人員的要求比較高，路途也比較漫長(zhǎng)不過(guò)現(xiàn)在整個(gè)行業(yè)正處在組建“首發(fā)團(tuán)隊(duì)”的狀態(tài)，只要加入，前途光明產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一種職業(yè)發(fā)展方向定位，不是簡(jiǎn)單的愛(ài)好就能做到的！產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域會(huì)造就大量的企業(yè)和企業(yè)家，是一個(gè)近期的發(fā)展熱點(diǎn)和機(jī)遇

　　3.系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用

　　系統(tǒng)級(jí)的應(yīng)用是FPGA與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一種FPGA版的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)如用Xilinx　V-4， V-5系列的FPGA，實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌POWER　PC　CPU， 然后再配合各種外圍功能，實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本環(huán)境，在這個(gè)平臺(tái)上跑LINUX等系統(tǒng)這個(gè)系統(tǒng)也就支持各種標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和功能接口（如圖象接口）了這對(duì)于快速構(gòu)成FPGA大型系統(tǒng)來(lái)講是很有幫助的。這種“山寨”味很濃的系統(tǒng)早期優(yōu)勢(shì)不一定很明顯，類(lèi)似ARM系統(tǒng)的境況但若能慢慢發(fā)揮出FPGA的優(yōu)勢(shì)，逐漸實(shí)現(xiàn)一些特色系統(tǒng)也是一種發(fā)展方向。

　　若在系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用中，開(kāi)發(fā)人員不具備系統(tǒng)的擴(kuò)充開(kāi)發(fā)能力，只是搞搞編程是沒(méi)什么意義的，當(dāng)然設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)是另一種情況，搞系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用看似起點(diǎn)高，但不具備深層開(kāi)發(fā)能力，很可能會(huì)變成愛(ài)好者，就如很多人會(huì)做網(wǎng)頁(yè)但不能稱(chēng)做會(huì)編程類(lèi)似以上是幾點(diǎn)個(gè)人開(kāi)發(fā)，希望能幫助想學(xué)FPGA但很茫然無(wú)措的人理一理思路。這是一個(gè)不錯(cuò)的行業(yè)，有很好的個(gè)人成功機(jī)會(huì)。但也肯定是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)很激烈的行業(yè)，關(guān)鍵看的就是速度和深度當(dāng)然還有市場(chǎng)適應(yīng)能力。

　　4.最新應(yīng)用

　　北京時(shí)間2010年12月30日消息，美英兩國(guó)科學(xué)家聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一款運(yùn)算速度超快的電腦芯片，使當(dāng)前臺(tái)式機(jī)的運(yùn)算能力提升20倍。當(dāng)前的個(gè)人電腦使用雙核、4核、16核處理器來(lái)執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)。如今，美英研究人員開(kāi)發(fā)的中央處理器（CPU）將1000個(gè)內(nèi)核有效集成于一個(gè)芯片上。這項(xiàng)突破或?qū)⒃诮窈髱啄觊_(kāi)啟一個(gè)超高速運(yùn)算的新時(shí)代，使家庭用戶不再對(duì)運(yùn)行緩慢的電腦系統(tǒng)感到沮喪。雖然速度更快，但由于新型“超級(jí)”電腦的能耗遠(yuǎn)低于當(dāng)前電腦，所以更加環(huán)保。

　　研究人員采用了一種名為“現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列”（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“FPGA”）的芯片，使得微晶片就像都含有數(shù)百萬(wàn)個(gè)晶體管一樣，而晶體管則是任何電路的基本組成部分。不過(guò)，F(xiàn)PGA芯片可由用戶安裝到特定電路，它們的功能不是在出廠時(shí)就設(shè)定好的。這樣一來(lái)，用戶可以將晶體管劃分成一個(gè)個(gè)“小群體”，要求每個(gè)“小群體”完成不同的任務(wù)。通過(guò)在FPGA芯片內(nèi)創(chuàng)建逾1000個(gè)微電路，研究人員便將這個(gè)芯片變成了1000個(gè)內(nèi)核的處理器——每個(gè)內(nèi)核都可以遵照自己的指令工作。在測(cè)試中，F(xiàn)PGA芯片每秒能處理5GB的數(shù)據(jù)，處理速度大概相當(dāng)于當(dāng)前臺(tái)式機(jī)的20倍。這項(xiàng)研究由英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的韋姆·范德堡韋德（Wim Vanderbauwhede）博士和美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)盧維爾分校的同行共同實(shí)施。

　　范德堡韋德說(shuō)：“FPGA芯片沒(méi)有應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)電腦上，原因是對(duì)FPGA芯片編程相當(dāng)困難。FPGA芯片的處理能力強(qiáng)大，由于速度更快，能耗相當(dāng)?shù)?，是我們更為環(huán)保的選擇?！彪m然當(dāng)前市場(chǎng)上銷(xiāo)售的電腦大多數(shù)內(nèi)核超過(guò)一個(gè)，可以同時(shí)實(shí)施不同任務(wù)，但傳統(tǒng)多核處理器只能共用一個(gè)存儲(chǔ)源，這降低了運(yùn)算速度。范德堡韋德的研究團(tuán)隊(duì)給每個(gè)內(nèi)核分配一定量的專(zhuān)用存儲(chǔ)空間，從而加快了處理器的運(yùn)算速度。

　　一名用戶坐在運(yùn)算速度很慢的臺(tái)式機(jī)前面，看上去一籌莫展。在測(cè)試中，F(xiàn)PGA芯片每秒能處理5GB的數(shù)據(jù)，處理速度大概相當(dāng)于當(dāng)前臺(tái)式機(jī)的20倍

　　范德堡韋德博士說(shuō)：“這只是初期概念驗(yàn)證研究，我們?cè)噲D展示對(duì)FPGA編程的便捷方式，令其超高速處理的潛力可以更為廣泛地應(yīng)用于未來(lái)的運(yùn)算器和電子設(shè)備上。雖然現(xiàn)有許多技術(shù)充分使用FPGA芯片，如等離子電視、液晶電視和電腦網(wǎng)絡(luò)路由器，但它們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)臺(tái)式機(jī)上的應(yīng)用卻十分有限?！?/p>

　　“但是，我們看到，包括英特爾和ARM在內(nèi)的一些廠商已經(jīng)宣布將開(kāi)發(fā)集成傳統(tǒng)CPU與FPGA芯片的微晶片。我認(rèn)為此類(lèi)處理器會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用，有助于在今后幾年進(jìn)一步提升電腦運(yùn)算速度?！狈兜卤ろf德希望在2011年3月應(yīng)用重構(gòu)運(yùn)算國(guó)際研討會(huì)上詳細(xì)介紹他的研究發(fā)現(xiàn)。