FPGA前世今生

cpupygu

关于FPGA，我想做硬件的或多或少都听过。从上世纪80年代算来，FPGA已走过了30多个年头。我们以FPGA两大生产厂商，两大巨头之一的INTEL（altera）公司的FPGA为例，为大家逐步介绍FPGA的前世今生。
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FPGA（Field－Programmable Gate Array），直译为现场可编程门阵列。是在PAL、GAL、cpld等可编程器件的基础上进一步发展而来的。作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路出现，即解决定制电路的不足，又克服了原有可编程电路数有限的缺点。
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ALTERA FPGA内部主要结构是逻辑单元。以CYCLONE IV为例，16个逻辑单元组成一个逻辑阵列块（LAB），大量的LAB组成了FPGA的基本结构。
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逻辑单元LE，内部主要由查找表（LUT），进位逻辑（C），和输出寄存器（通常为DFF）组成。

: _0 a! I/ V2 U现在的FPGA，我们不在会问内部的逻辑门数是多少，如果这么问，明显缺乏专业知识。我们通常会问这块FPGA内部逻辑单元有多少个。同样，逻辑单元已不在和逻辑门等效。逻辑单元内部包含了FPGA设计的最终要的结构，DFF。
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: }4 E1 g- X( d9 L/ F+ ^+ @' mLUT，本质是个4输入的查找表，用硬件描述语言描述一个组合逻辑后，开发软件会自动计算所有结构放入RAM，4输入相当于4根地址线进行查表就可以了。LUT不仅可以实现逻辑运算，主要的算数运算也是由LUT实现的。在实现逻辑运算时，LUT是4输入的，在实现算数运算（主要是加法）时，LUT是2输入的。进位逻辑通常是在做加法的时候使用的。输出寄存器，也就是触发器，是FPGA同步设计的核心，时序电路的核心。
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一个LAB有16个LE，所以我们在设计多位计数器，时，应注意是否应当根据LAB的特点，将多位计数器分解成位宽较小的计数器，以提高电路频率。

上述，我们先介绍了FPGA最基本的结构和最基本的资源。后期，我们会慢慢介绍FPGA的其他资源。

说到FPGA的前世今生，我想，对于它的前世，我们稍做了解就可以了。FPGA不过是大规模数字电路发展的产物。从二极管，到三极管，从门电路，到触发器，从宏阵列到逻辑单元，从组合逻辑，到时序逻辑，从几千个门数量，到千万级门数量，从微米技术到纳米技术，无不说明着数字集成电路的飞速发展。对于FPGA的今生，无非就是当下主流FPGA的核心结构以及最终发展的极限。
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: b) x  q. B$ P3 S0 p8 BFPGA的设计离不开数字电路。下面我们稍做一些学习建议。
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2 `7 T) b9 N" Q- L8 o2 }& i; l对于初学者，特别是从软件转过来的，设计的程序既费资源又速度慢，而且很有可能综合不了，这就要求我们熟悉一些固定模块的写法，可综合的模块很多书上都有，语言介绍上都有，不要想当然的用软件的思想去写硬件。在学习FPGA开发过程，首先要对电路设计熟悉，明白电路的工作过程：电路是并行执行。
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FPGA学习要多练习，多仿真，signaltapII是很好的工具，可以看到每个信号的真实值，建议初学者一定要自己多动手，光看书是没用的。关于英文文档问题，如果要学会Quartus II的所有功能，只要看它的handbook就可以了，很详细，对于IT行业的人，大部分知识来源都是英文文档，一定要耐心看，会从中收获很多的。当然，官网也有中文资料，但英文资料更加详细，而且很多东西一定要看英文原版资料，因为中文翻译不一定很准确。
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% }0 T! d2 @1 U. N2 r4 [作者：ALIFPGA
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前世今生……