現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）是集成電路，使設(shè)計(jì)人員能夠編程定制的數(shù)字邏輯在現(xiàn)場(chǎng)。FPGA自20世紀(jì)80年代以來(lái)一直存在，并且最初被設(shè)想為給所有設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造定制邏輯的能力。在早期，在設(shè)計(jì)中使用FPGA意味著您必須進(jìn)行大量的編程才能使FPGA執(zhí)行簡(jiǎn)單的功能，所以大多數(shù)設(shè)計(jì)人員都避免使用它們。如果你從大學(xué)畢業(yè)后就沒看過FPGAs，你會(huì)想再看一看。

　　FPGA已經(jīng)從一種有用但簡(jiǎn)陋的接口設(shè)備發(fā)展成為具有自己的微處理器、存儲(chǔ)器塊和接口的系統(tǒng)級(jí)集成電路（IC）。這是下一件大事。

　　現(xiàn)在正是獲得一個(gè)便宜的開發(fā)工具包，下載免費(fèi)工具，并開始自己探索這個(gè)世界的好時(shí)機(jī)。這本書將幫助您了解FPGA的實(shí)際用途。

　　歡迎光臨！如果您正在閱讀本章，那么可以打賭，您是一位工程師，可能已經(jīng)了解了現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）的過去，但是您現(xiàn)在想知道更多。也許你想知道如何使用它們與你的設(shè)計(jì)。在這一章中，我將向你們介紹FPGAs，并解釋他們解決的問題。我還討論了他們是如何做的，討論了設(shè)計(jì)的權(quán)衡和FPGA操作的真相。

　　與其他構(gòu)建硬件的方式相比，F(xiàn)PGAs有兩件大事要做。首先，它們使您能夠精確地構(gòu)建所需的硬件，而不是必須使用所有競(jìng)爭(zhēng)者正在使用的相同的特定于應(yīng)用程序的標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（ASSP），或者必須承擔(dān)特定于應(yīng)用程序的集成電路（ASIC）設(shè)計(jì)的時(shí)間、成本和風(fēng)險(xiǎn)。

　　但是同樣重要的是，定制FPGA的能力意味著，在FPGA中，您通常能夠以比ASSP的微處理器內(nèi)核中更簡(jiǎn)單、更快、更節(jié)能的方式進(jìn)行操作。

　　我很高興你問，F(xiàn)PGA是一種半導(dǎo)體器件，它的功能可以在制造后定義。FPGA使您能夠?qū)Ξa(chǎn)品特性和功能進(jìn)行編程，適應(yīng)新的標(biāo)準(zhǔn)，并且即使在產(chǎn)品已經(jīng)安裝在現(xiàn)場(chǎng)之后也能夠?yàn)樘囟☉?yīng)用重新配置硬件——因此術(shù)語(yǔ)現(xiàn)場(chǎng)可編程。門陣列是邏輯門的二維陣列。如果你把這些東西放在一起，你可以把這些簡(jiǎn)單的計(jì)算加起來(lái)做一些有意義的事情。

　　用較少的技術(shù)術(shù)語(yǔ)來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA允許您在設(shè)計(jì)中具有靈活性，并且是改變系統(tǒng)各部分如何工作的一種方法，而不會(huì)在設(shè)計(jì)日程中引入大量的成本和延遲風(fēng)險(xiǎn)。

　　一個(gè)簡(jiǎn)單的例子是為汽車設(shè)計(jì)的后視鏡。如果照相機(jī)系統(tǒng)從圖像傳感器看到圖像到圖像幀實(shí)際出現(xiàn)在顯示器上需要250毫秒，并且政府法規(guī)的改變要求延遲或延遲不超過100毫秒，則可以找到調(diào)整圖像的方法。FPGA中的信號(hào)處理流水線符合新的延遲要求。這將是幾乎不可能做的基于微處理器的系統(tǒng)。在這個(gè)例子中，公司使用FPGA可以獲得很大的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗槐刂匦略O(shè)計(jì)零件或購(gòu)買所有新的處理器。

　　在早期，F(xiàn)PGA電路是非常大的，你不能適合多到一個(gè)芯片上。設(shè)計(jì)人員所能做的就是構(gòu)建一個(gè)與FPGA的接口，客戶可以重新編程該接口以執(zhí)行不同的操作（例如，將操作在鍵盤輸入上的接口更改為處理來(lái)自觸摸屏設(shè)備的輸入的接口）。d他們可以用FPGA構(gòu)建整個(gè)子系統(tǒng)，這意味著設(shè)計(jì)者不再局限于只使用ASIC來(lái)實(shí)現(xiàn)這些子系統(tǒng)。因?yàn)殡娐吩絹?lái)越小，設(shè)計(jì)者可以把更多的設(shè)備放在同一個(gè)芯片上——允許更復(fù)雜的功能和更快的算法，這反過來(lái)導(dǎo)致更快的計(jì)算和更少的功耗。

　　現(xiàn)代FPGA由可配置靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（SRAM）、高速輸入/輸出引腳（I/O）、邏輯塊和路由組成。更具體地說(shuō)，F(xiàn)PGA包含可編程邏輯元件，自然稱為邏輯元件（LE），以及允許LE彼此物理連接的可重構(gòu)互連的層次結(jié)構(gòu)。您可以配置LES來(lái)執(zhí)行復(fù)雜的功能，或者簡(jiǎn)單地執(zhí)行基本邏輯門，例如AND和OR。大多數(shù)FPGA還包含內(nèi)存塊（關(guān)于這些主題的更多內(nèi)容，請(qǐng)參閱“FPGA的構(gòu)建塊”）。