學號：16010199021
姓名：李若宇
轉載自 http://blog.csdn.net/data_backups/article/details/50672563（有刪改）
嵌牛導讀：Field－Programmable Gate Array?即現場可編程門陣列，作為一種可編程器件，既解決了ASIC(專用集成電路)的不足,又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。它集成了大量的原始邏輯資源（觸發器、查找表LUT和布線），并提供了可配置的I/O口及硬IP（Block RAM、PLL、DSP、通用接口等）依賴工程師采用HDL（Hardware Description Language，硬件描述語言）進行編碼，各個邏輯并行工作來實現指定的功能。它是基于硬件描述的芯片。
嵌牛鼻子：FPGA
嵌牛提問：什么是FPGA
嵌牛正文：什么是FPGA？
Field－Programmable Gate Array?即現場可編程門陣列，作為一種可編程器件，既解決了ASIC(專用集成電路)的不足,又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。它集成了大量的原始邏輯資源（觸發器、查找表LUT和布線），并提供了可配置的I/O口及硬IP（Block RAM、PLL、DSP、通用接口等）依賴工程師采用HDL（Hardware Description Language，硬件描述語言）進行編碼，各個邏輯并行工作來實現指定的功能。它是基于硬件描述的芯片。
為什么FPGA可編程？
一提到編程，大家肯定想到的是coding的那套軟件編程的概念，但FPGA的編程是硬件編程，要理解這些需要看FPGA的內部結構和工作原理。
1）FPGA基本結構
FPGA內部集成了很多邏輯塊（Logic Block），這些邏輯以陣列的形式排布著，散步在各個邏輯塊之間的內部互聯線（Interconnect），它們就好比PCB板上的導線，將FPGA內部的各個相關邏輯進行互聯，它們的起點和終點都是IOB（I/O Block），IOB是FPGA和外部器件的物理接口，有豐富的電平接口。
Altera FPGA片上邏輯主要由logic Array Blocks(LAB)與Route組成，每個LAB包含一定數量的logic Element(LE)，LE可以認為是FPGA中最基本的邏輯單元。Route可以認為是許多連接節點的導線段，這些連接節點不僅用來連接片上邏輯，也用來連接走線本身。
咱們從外往內部說，首先是IOB，IOB是芯片與外部電路的物理接口，主要完成不同電氣特性下輸入/輸出信號的驅動與匹配要求，比如從基本的LVTTL/LVCMOS接口到PCI/LVDS/RSDS甚至各種各樣的差分接口，從5V兼容到3.3V/2.5V/1.8V/1.5V的電平接口，下面是ALTERA公司的Cyclone IV EP4CE115F29設備的IOB結構。
FPGA的IOB按組分類，每組都能夠獨立地支持不同的I/O標準，通過軟件的靈活配置，可匹配不同的電器標準與IO物理特性，而且可以調整驅動電流的大小，可以改變上/下拉電阻，Cyclone IV設備有8個IO blank(組)，見下圖：
然后是LAB，LAB是FPGA的基本邏輯單元，其實際的數量和特性依據所采用的器件的不同而不同，EP4CE115F29設備的每個LAB的布局包括16個LE、LAB控制信號、LE carry chains、Register chains和Local interconnect，其LAB結構圖如下：
最后是最基本的單元LE，LE是Cyclone IV設備最小的邏輯單元，每個LE主要有LUT和寄存器組成的。
查找表LUT(Look-Up-Table)其本質是一個靜態存儲器SRAM，目前FPGA多采用4輸入的LUT，每個LUT可以看作一個有4位地址線的16x1的RAM。當我們通過原理圖或HDL語言描述了一個邏輯電路后，FPGA開發軟件會自動計算邏輯電路的所有可能的結果，并把結果事先寫入RAM。這樣，在FPGA工作時，每輸入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，然后輸出。
Interconnect
FPGA內部連接線很豐富，根據數據手冊的描述，主要有圖3中的Row interconnect、column interconnect、Direct link interconnect、和Local interconnect和Register chain interconnect(寄存器之間連接的連接線)。
內部連接線聯通FPGA內部的所有單元，而連線的長度和工藝決定著信號再連接線上的驅動能力和傳輸速度。在實際開發中，設計者不需要直接選擇連接線，布局布線器可自動地根據輸入邏輯網表(這由綜合生成)的拓撲結構和約束條件選擇連接線來連通各個邏輯單元，所以，從本質上來說，布線資源的使用方法和設計的結果有密切和直接的關系。
2）FPGA工作原理
FPGA利用小型查找表（16×1RAM）來實現組合邏輯，每個查找表連接到一個D觸發器的輸入端(見圖)，觸發器再來驅動其他邏輯電路或驅動I/O，由此構成了既可實現組合邏輯功能又可實現時序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過向內部靜態存儲單元加載編程數據來實現的，存儲在存儲器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯接方式，并最終決定了FPGA所能實現的功能，FPGA允許無限次的編程。
知道了FPGA的結構和工作原理后再理解為什么FPGA能編程就不難了，HDL(Hardware Description Language)之所以叫Description而不叫Design，就是因為工程師用HDL語言描述一個功能、一個行為、一個過程，然后在通過EDA工具把這種描述語言綜合布局布線成實際的硬件電路。可以說FPGA編程是設計數字電路，而不是真正意義上的軟件編程。HDL設計輸入其實就是電路設計的抽象輸入，編譯工具的綜合就是將這些設計輸入翻譯成由與、或、非門及RAM、觸發器、寄存器等基本邏輯單元組成的邏輯連接，即網表。這些網表文件作為廠家布局布線工具的輸入。
除了上述資源外，FPGA內部還包含一些嵌入式塊RAM、底層內嵌功能單元（DLL、PLL、DSP和CPU等軟核）、硬核（乘法器和串并收發器等）等資源，大大方便了系統級的設計。
FPGA主要應用在什么領域？
1、數據采集和接口邏輯
1）數據采集
低速的A/D D/A數據采集可以直接通過SPI或I2C等方式連接到MCU或DSP上，但如果是高速的A/D D/A轉換芯片，如視頻的decoder encoder不能與通用的處理器直接接口，在這種情況下FPGA可以完成數據采集的粘合邏輯功能。 大疆無人機上的視頻采集使用了FPGA。
2）接口和I/O擴展
有些實際的應用需要很多I/O接口，同時又對速度有一定的要求，這是通過處理器就顯得力不從心，而恰恰FPGA資源豐富又可編程，就能滿足這樣的需求。
很多情況下產品需要和PC機通信，PC機的接口豐富，如：PCI、PCIE、USB等，這樣就需要專用的接口芯片，附加的芯片會帶來一些PCB面積和功耗方面的問題，這些接口邏輯同樣可以在FPGA內部實現，很多廠商提供一些實現好的IPcore可以直接使用。
除了TTL、COMS接口電平之外，LVDS、HSTL、GTL/GTL+、SSTL等新的電平標準逐漸被很多電子產品采用。比如，液晶屏驅動接口一般都是LVDS接口，數字I/O一般是LVTTL電平，DDR SDRAM電平一般是HSTL的。?在這樣的混合電平環境里面，如果用傳統的電平轉換器件實現接口會導致電路復雜性提高。利用FPGA支持多電平共存的特性，可以大大簡化設計方案，降低設計風險。
2、信號處理
無線通信、軟件無線電、高清影像編輯和處理等領域，對信號處理所需要的計算量提出了極高的要求。傳統的解決方案一般是采用多片DSP并聯構成多處理器系統來滿足需求。但是多處理器系統帶來的主要問題是設計復雜度和系統功耗都大幅度提升，系統穩定性受到影響。FPGA支持并行計算，而且密度和性能都在不斷提高，已經可以在很多領域替代傳統的多DSP解決方案。
3、芯片驗證
做一些功能性的驗證，使得軟件和硬件可以同時進行開發。
