1984年，Xilinx公司的創(chuàng)始人之一，密西根大學畢業(yè)生，RossFreeman第一次提出了可編程邏輯器件（PLD）的概念，讓芯片成為一個空白的畫布，可由工程師通過編程在上面任意“涂鴉”。

Freeman也因為這項發(fā)明進入2009美國發(fā)明家名人堂。遺憾的是英年早逝的他沒能看到他所締造的FPGA帝國是多么的輝煌。

清華大學微電子研究所所長，中國半導體行業(yè)協會副理事長魏少軍先生曾用印一本書來區(qū)別芯片的設計、制造、封測過程：設計相當于作家寫了一本書，制造相當于印刷，封裝相當于裝訂。那么FPGA是什么？如果是一個專業(yè)從事FPGA工作的老攻城獅可能會告訴你，”Field Programmable Gate Array“，然后再補上一句”It can be anything you want“。網上也有很多通俗易懂的類比。例如把FPGA的開發(fā)看作是數字積木搭建，東南大學湯勇明老師就寫過一本《搭建你的數字積木——數字電路與邏輯設計》

一個個IP就像是一塊塊積木，通過調用IP"搭建"特定功能的電路，這個比喻來說明FPGA的開發(fā)再合適不過了。

也有人將FPGA比作是空白的大腦，大腦里面存在成千上萬的神經元細胞，但是神經元之間并沒有連接起來，也就還沒有大腦強大的功能，但是當工程師用Verilog或者vhdl來對FPGA進行布局布線之后，神經元就連接到了一起，大腦也就有了一些功能，給大腦輸入羊肉泡饃的畫面，會流口水之類的反應。這個比喻來形容FPGA的設計原理再合適不過了。

另外，還有人將FPGA中的一些組成部分和生物化學有機體類比。FPGA中最基本的單元——可編程邏輯單元（CLB），可以類比為有機體中的蛋白質分子，生物化學的角度上，蛋白質可以合成更高更復雜的器官，例如心，肝，胃，胳膊腿等，那么同樣CLB作為電子有機體中的蛋白質分子，當然就可以合成一個電子有機體（類比人）的各個模塊（器官），有的器官復雜，需要很多蛋白質分子分層次合成，那么同樣，有的電子系統(tǒng)的模塊的也極其復雜，需要CLB分層次合成。

那么蛋白質分子在合成各種不同的器官的時候，靠什么做指導嘞？人體內部有著極其龐大復雜的DNA序列，這個DNA序列記錄著人體的所有信息。在受精卵生成胚胎階段，其中的某一段序列指導胚胎的這一坨（也就是這一堆蛋白質分子）成為未來的手，另一端序列指導胚胎的另一堆蛋白質分子成為未來的胳膊。那么同樣，在FPGA中也會有等價于生物化學有機體中的DNA，就是bit_stream。bit_stream和DNA完全類似，就是一段序列，指導著若干CLB合成某一個執(zhí)行具體功能的模塊。

在有機體中還有脂肪的存在，脂肪的一大作用就是存儲能量，在FPGA中負責存儲的是BRAM，不同的是脂肪儲存的是能量，BRAM儲存的是數據。

FPGA中還有一個很重要的東西叫做DSP，即數字信號處理器，在人的大腦里面有一片腦回溝區(qū)域專門負責數學運算，兩者可以做一個類比。

生物體中還有一個十分重要的器官叫心臟，而FPGA中有一個東西叫時鐘，心臟控制脈搏，時鐘則負責整個系統(tǒng)的工作頻率。有了心臟，人類才得以正?；顒?，有了時鐘，系統(tǒng)才得以有條不紊的運行。

在FPGA的設計當中編寫的RTL代碼，通過軟件工具可以生成人類看不懂的bit_stream,也就是說工程師每天的工作都是在編寫FPGA的DNA,在生物學領域，我相信大多數的科學家畢生都在做著解讀‘人類天書’DNA的工作吧。這樣一一類比下來感覺FPGA的開發(fā)就像是在造人一樣，頓時感覺代碼都不枯燥了。

首款 FPGA，即賽靈思 XC2064，只包含 64 個邏輯模塊，每個模塊含有兩個 3 輸入查找表 (LUT) 和一個寄存器。按照現在的計算，該器件有 64 個邏輯單元——不足 1000 個邏輯門。盡管容量很小，XC2064 晶片的尺寸卻非常大，比當時的微處理器還要大;而且采用 2.5 微米工藝技術勉強能制造出這種器件。但隨著IC制造工藝的發(fā)展，FPGA也迅速發(fā)展，資源爆炸式增長，ZYNQ系列的Z-7100的邏輯單元已經到了444k。

與FPGA同為PLD的還有CPLD，CPLD（Complex Programmable Logic Device）,復雜可編程邏輯器件。CPLD由可編程邏輯的功能圍繞一個可編程互連矩陣構成，由固定長度的金屬線實現邏輯單元之間的互連，并增加了I/O控制模塊的數量和功能。

CPLD的基本結構可看成由可編程邏輯陣列（LAB），可編程I/O控制模塊和可編程內部連線（PIA）等三部分組成。

可編程邏輯陣列（LAB）:由若干個可編程邏輯宏單元（Logic Macro Cell，LMC）組成，LMC主要包括與陣列、或陣列、可編程觸發(fā)器和多路選擇器等電路，能獨立地配置為時序或組合工作方式。

FPGA由可編程邏輯塊（CLB），輸入/輸出模塊（IOB）及可編程互連資源（PIR）等三種可編程電路和一個SRAM結構的配置存儲單元組成。CLB是實現邏輯功能的基本單元，他們通常規(guī)則排列成一個陣列，散布于整個芯片中?？删幊梯斎?輸出模塊（IOB）主要完成芯片上的邏輯與外部引腳的接口，它通常排列在芯片的四周。可編程互連資源（PIR）包括各種長度的連線線段和一些可編程鏈接開關，他們將各個CLB之間或CLB與IOB之間以及IOB之間連接起來，構成特定功能的電路。

CLB主要由邏輯函數發(fā)生器，觸發(fā)器，數據選擇器等電路組成。邏輯函數發(fā)生器主要由查找表（Look Up Table）構成。

查找表LUT實質上是一個RAM，當用戶描述了一個邏輯電路后，軟件會計算所有可能的結果，并寫入RAM。每一個信號進行邏輯運算，就等于輸入一個地址進行查表，找出地址對應的內容，輸出結果。這樣也大大加快了FPGA的運算速度。

FPGA和CPLD的區(qū)別主要有以下幾點：

（1） FPGA采用SRAM進行功能配置，可重復編程，但系統(tǒng)掉電后，SRAM中的數據丟失，因此，需要在FPGA外加EPROM，將配置數據寫入其中，系統(tǒng)每次上電自動將數據引入SRAM中。CPLD器件一般采用EEPROM存儲技術，可重復編程，并且系統(tǒng)掉電后，EEPROM中的數據不會丟失，適用于數據的保密。

（2）FPGA器件含有豐富的觸發(fā)器資源，易于實現時序邏輯，如果要求實現較復雜的組合電路，則需要幾個CLB結合起來實現。CPLD的與或陣列結構，更適用于實現大規(guī)模組合功能，但觸發(fā)器資源相對較少。

（3）FPGA是細顆粒度結構，CPLD是粗粒度結構。FPGA內部有豐富連線資源，CLB分塊較小，芯片利用率高。CPLD宏單元的與或陣列較大，通常不能完全被應用，且宏單元之間的主要通過高速數據通道連接，其容量有限，限制了器件的靈活布線，因此，CPLD利用率較FPGA器件低。

（4）FPGA為非連續(xù)式布線，CPLD為連續(xù)式布線。FPGA器件每次編程時實現的邏輯功能一樣，但走的路線不同，因此延時不易控制，即時序延遲不可預測。CPLD每次布線路徑一樣，消除了分段式互連結構在定時上的差異，并在邏輯單元之間提供快速且具有固定延時的通路，CPLD的延時小，且時序延遲可預測。CPLD比FPGA可工作在更高的頻率。

所以FPGA是什么？

Itcan beanything you want!

原文標題：FPGA掃盲文

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