隨著半導體和嵌入式系統(tǒng)應用技術的高速發(fā)展，FPGA已經(jīng)被廣泛地應用于各行各業(yè)，無論是家用電器、智能玩具、數(shù)碼產(chǎn)品，還是通信行業(yè)、工業(yè)自動化、汽車電子、醫(yī)療器械等領域無處不在。從1985年第一顆FPGA誕生至今，F(xiàn)PGA已經(jīng)過去了20多個年頭，從當初集成幾百個門電路到現(xiàn)在的幾百萬門、幾千萬門……，從原來的上千元的天價到現(xiàn)在幾元的超低價，發(fā)生了翻天覆地的變化，所以當前正是學習FPGA的最好時機。無論是社會的需求也好，還是技術的成熟度也好，已經(jīng)達到了前所未有的高度，初學者可以花更少的成本，并以最快的速度掌握一種處于前沿的新技術，無論是對就業(yè)還是對未來的發(fā)展具有極其重要的意義和價值。

本書從初學者的立場出發(fā)，為廣大初學者提供了一個FPGS入門學習平臺，以深入淺出的方式介紹FPGA的基本原理、Verilog語言和應用設計。但作為一個FPGA的初學者必須先了解以下幾個問題：何為FPGA？為什么要學習FPGA？如何學習FPGA？

1.何為FPGA？

FPGA是Field Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。

FPGA是Ross Freema于1985年發(fā)明的，當時第一個FPGA采用2μm工藝，包含64個邏輯模塊和85000個晶體管，門數(shù)量不超過1000個，當時他所創(chuàng)造的 FPGA被認為是一項不切實際的技術，他的同事Bill Carter曾說：“這種理念需要很多晶體管，但那時晶體管是非常珍貴的東西?！彼匀藗冋J為Ross的想法過于脫離現(xiàn)實。但是Ross預計：根據(jù)摩爾定律（每18個月晶體管密度翻一翻），晶體管肯定會越來越便宜，因此它必將成為未來不可或缺的技術。在短短的幾年時間內(nèi)，正如Ross所預言的，出現(xiàn)了數(shù)十億美元的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）市場。但可惜的是，他已經(jīng)無法享受這一派欣欣向榮的景象，Ross Freeman在1989年已經(jīng)與世長辭了，但是它的發(fā)明卻持續(xù)不斷地促進電子行業(yè)的進步與發(fā)展。

我們知道構(gòu)成數(shù)字邏輯系統(tǒng)最基本的單元是與門、或門、非門等，而門電路是由用二極管、三極管和電阻等元件構(gòu)成的，然后與門、或門、非門又構(gòu)成了各種觸發(fā)器實現(xiàn)狀態(tài)記憶。FPGA同樣也屬于數(shù)字邏輯電路的一種，也是由最基本的元件構(gòu)成的。一片F(xiàn)PGA可以在內(nèi)部集成上億個門電路，打破了以往使用數(shù)量繁多分立器件實現(xiàn)電子裝置的歷史，不僅電路面積、成本大大減小，而且可靠性得到了大幅度的提升。

一般來說，F(xiàn)PGA內(nèi)部是由最小的物理邏輯單位LE、布線網(wǎng)絡、輸入輸出模塊與片內(nèi)外設組成的，而最小物理邏輯單元是指用戶無法修改的、固定的最小單元，設計者只能將這些單元通過互聯(lián)線將其連接起來，然后實現(xiàn)特定的功能。一個LE是由觸發(fā)器、LUT與控制邏輯組成的，從而同樣可以實現(xiàn)組合邏輯和時序邏輯。

隨著FPGA集成度的不斷增加，其內(nèi)部的片內(nèi)外設也越來越多，可集成SRAM、Flash、AD、RTC等外設，真正用單芯片方案完成系統(tǒng)設計，所以我們所理解的FPGA最底層是一些實實在在的門電路構(gòu)成的，然后由門電路構(gòu)成最小的物理邏輯單元，然后再通過布線層將這些最小物理邏輯單元連接成用戶需要的特定功能，我們所需要控制的僅僅是布線層之間的互連開關，這也是我們編程的對象，通過這些開關來改變功能。

FGPA按工藝分主要有SRAM工藝和Flash工藝（工藝是針對它們的編程開關來說的）兩類，基于SRAM工藝的FPGA最大的缺點是掉電數(shù)據(jù)會丟失無法保存，所以由FPGA構(gòu)成的系統(tǒng)，外部還需要增加一個配置芯片用于保存編程數(shù)據(jù)，在系統(tǒng)每次上電時都需要從配置芯片中將配置數(shù)據(jù)流加載到FPGA 中，然后才能正常地運行，其優(yōu)點是靈活性很強。而基于Flash架構(gòu)的FPGA在掉電后不會丟失數(shù)據(jù)，無需配置芯片，上電即可運行，其特點非常類似 ASIC，但卻比ASIC更加靈活可以重復編程。由此可見如果用基于Flash架構(gòu)的FPGA來取代ASIC的話，不僅風險大大降低，而且成本也會大幅度地下降。

2. 為什么要學習FPGA？

FPGA從誕生以來經(jīng)歷了從配角到主角的轉(zhuǎn)變，F(xiàn)PGA主要用于取代復雜的邏輯電路，現(xiàn)在重點強調(diào)平臺概念，當集成數(shù)字信號處理器、嵌入式處理器、高速串行和其它高端技術后，從而被應用到更多的領域，正因為其飛速的發(fā)展，讓更多學FPGA的人看到了希望，其廣闊的前景正是我們選擇的原因之一。

（1）廣闊的發(fā)展前景