浅谈FPGA 的演进、优势、设计、改进

FPGA - 数字经济时代的基石

正如我在《科技以人为本 - CES结语》一文中讲的，科技在近20年里发生了翻天覆地的变化，背后的推动主要来自于半导体技术的飞速发展，其中最大的革命是天才的人们通过模数变换，把自然界的一切模拟量变换到数字域，在数字域里用我们5千年来练就的功力 - 数学来描述并处理模拟的世界，在数字逻辑的基础上人们又发明了基于指令的计算、数字信号处理等技术，于是有了我们今天的压缩视频、数字通信、无线网络、互联网等等，可以说“数字”是当今半导体科技的主旋律，我们正处于一个“数字时代”，正如本年度的CES也把主旋律定义成了“数字经济”。从事电子技术的同仁们都知道，数字逻辑的基本单元就是“门”，由众多的“门”构成各式各样无论多么复杂的逻辑功能。FPGA - “现场可编程”“门阵列”，也就成了数字领域的“乐高”,用它可以搭建出任意的作品。 ­

FPGA的演进 ­

让我先来回顾一下历史。1989年我第一次接触到电路板的时候，上面密布着一系列的TTL、CMOS芯片，一颗14～20只管脚的芯片中一般只有4-6个简单的“门”，十几个芯片的大板子也就完成寻址、译码之类的功能，使用起来是非常的痛苦，如果要修改逻辑，只能用手术刀切割电路板并进行飞线。94年的时候我开始使用GAL(当时是Lattice的16V8，20V8)，觉得那简直是一个革命，竟然可以用软件编程修改芯片内部的逻辑而不用切割电路板，当时GAL不方便的地方在于输入、输出管脚都已经固定好，不能够在线编程，每次修改逻辑都需要使用暴力把芯片从板座上拔下来放回编程器上进行修改。不久Lattice、AMD(好像还有Philips)都推出了能够在线编程的PLD（CPLD/EPLD），专业术语叫ISP（In System Programming），I/O管脚已经可以任意定义，管脚数量也达到44个以上，非常适合中等规模的数字逻辑设计。1995年后期由于项目的需要，PLD已经无法满足我们系统的要求，因为我们需要芯片内部要有大量的寄存器做Buffer, FIFO等。于是Altera, Xilinx以及他们的代理商轮番去拜访我们的实验室，给我们推荐新的器件 - FPGA。FPGA跟PLD有很大的不同：第一，PLD是可以通过再编程修改逻辑的器件，一旦编程好了，就如同功能固定的逻辑功能块可以做它该做的事情了，FPGA就像白痴一样，一掉电里面的东西全不见了，每次板子上电的时候需要从外部PROM(比小容量的FPGA还贵，而且原厂提供的一般都是只能一次编程的)把逻辑加载进来。第二，FPGA的结构跟PLD是不一样的，PLD的优势在于速度，主要用途在于灵活地构建各种组合和时序逻辑，而FPGA拼的是内部的存储器，后期的FPGA内部有大量的块状存储器(可方便地配置成SRAM，双口RAM、FIFO等)以及分立的存储器，适用于需要大量内部存储器的应用，比如数据采集，通信系统中的交织、去交织，在FPGA内部构建带有一定容量存储器的微处理器 - 8031、RISC等，在PLD里面你是没有任何可能的。因为当今的大多数设计中都会用到微处理器，FPGA厂商争相针对这些需求开发了一些软核，比如Xilinx的PicoBlaze(8位的)、MicroBlaze（32位的），后来觉得不过瘾干脆把PowerPC给硬化进去了，一颗不够，有的芯片里面还要塞4颗。

当年我们项目中采用了Xilx的XC40xx，设计采用原理图输入，非常的原始但是很直观。美中不足的地方在于Xilinx的软件界面不太友好。2000年到美国后仍然从事硬件设计，还是使用Xilinx的FPGA，不过设计的方式先进了很多 - 用上了Verilog，比较自豪的工程 - 完整的QAM调制器、基于USB的数字示波器、任意波形发生器以及一系列的通信系统应用模块。­

在前后十年多的时间里，可编程逻辑器件尤其是FPGA从结构、容量、速度、编程软件、服务模式等方面都有了巨大的变化，小到最基本的数字逻辑，大到复杂的通信网络、视频编解码系统乃至ASIC原型设计，无处不见FPGA的身影。今天如果一个研发用的电路板上没有FPGA，这个研发项目的技术含量基本不高；如果一个工程师不会使用FPGA，他根本不好意思跟别人说自己是做硬件的；如果一个理工科院校还没有FPGA的课程，这个学校一定十分不靠谱，需要Xilinx大学计划的帮助。­

FPGA的优势:­

根据应用的不同，设计者所采用的解决方案也会不同，在大规模数字芯片中比较典型的技术主要有:微处理器、DSP、专用集成电路ASIC等，相对于这些技术的应用来讲，FPGA有什么优势呢?­

1. 微处理器：今天的微处理器(包括微控制器)品种繁多，结构也各不相同，从4位、8位、16位、32位到64位，有8051，PIC，RISC、ARM、MIPS、Xtensa以及X86等，他们大多有丰富的接口同各种外设进行连接，通过软件执行不同的进程，从而完成一定的任务，并将控制命令或结果进行输出。可以说通过软件编程微处理器可以做任何事情，但是致命的缺点就是速度有限，在外部时钟的节拍下顺序执行一条条的指令，不能并行处理，因此微处理器厂商只能玩命提高芯片的速度(比如Intel的芯片时钟在2GHz以上，ARM已经在600MHz以上)，对于更复杂的任务只能多放几个兄弟在里面一起干活，也就是今天的多核技术。由于一般稍微复杂一些的系统都会用到微处理器用于输入输出、多进程处理以及网络通信等，很多满足一定性能需求的通用微处理器成本较低，因此被广泛采用。现在微处理器领域最热门的技术术语无疑就是 “嵌入式系统”了，但我可以负责任地讲，大多数人对“嵌入式系统”的理解是片面甚至是错误的。有些公司为了商业利益把嵌入式系统以“皇帝的新装”模式进行大规模地忽悠，导致人们几乎把“嵌入式系统”同某一种IP类型画上了等号，这个行业涌现出了大批的根本不懂嵌入式系统的嵌入式系统工程师。­

2. DSP: 数字信号处理，精于在数字域通过执行相应的程序进行信号的处理，广泛用于音、视频，通信等领域。众所周知，通用DSP的领导厂商当首推TI, 当然很多通信芯片公司、视频芯片公司都在自己芯片内部放入了相应的DSP模块，同微处理器一起构成完整的系统。微处理器负责控制、人机界面、网络通信等，其对应的执行软件一般称作Software；DSP负责算法，比如滤波、空间变换、FFT/IFFT、调制解调等，相应的执行程序被称作Firmware。DSP的优点是灵活，由软件控制的可编程，并支持大规模的乘除法运算，缺点同微处理器一样是串行处理，无论做多少个事情要一个个排着队来做。­

3. ASIC：专用集成电路。一般为厂商在确定市场量比较大的情况下，为了降低成本而把比较成熟的功能做在一颗芯片中，执行已经确定的一些应用。它的优点是显然的：便宜，专用。缺点也是明显的，发现有问题了再改？对不起重新交钱。如果量不大，平摊下来的单片成本就会相当的高，一颗芯片的设计、流片、测试的周期没有6个月是下不来的，时间成本是巨大的。另外客户的需求几乎是无限的，他们的胃口也是不断增加的，无论你设计中考虑的多么周全，都无法满足所有客户的需要，你会发现很多外设的接口需要增加、改进，内部的功能需要调整，片上的存储空间受到了限制等等。­

4. FPGA: 它比较明显的缺点就是相对来讲成本较高，主要用于研发过程中或者市场量不会很大，FPGA在系统的整体价格中不敏感。一颗FPGA芯片的价格从低于1美元到几千美元不等，当然这是可以理解的，毕竟灵活性是靠高度的冗余带来的。它的好处是其它任何一种技术无法比拟的 - 它几乎可以做任何事情，你可以用它搭建多个微处理器，用它构建自己的乘、除法单元做出几个DSP来，而且这些处理器、DSP可以同时干活，并行工作，与此同时您还可以利用芯片内部未用的资源做很多辅助的功能，可以说是高度的灵活。­

以一个应用为例，今天的汽车电子也是以人为本，该领域的一个重要的技术热点就是“司机帮助(DA)”系统，它由超声、雷达、照相机以及激光等多种不同的传感器构成，这些不同的传感器在不同的时刻或者同一时刻把相应的信号采集下来，发往中央处理单元进行识别、运算、做出判断，帮助司机在倒车、高速行驶以及夜间行驶的时候能够对周围的环境在最短的时间内做出准确的判断并做出一系列的安全保护动作。如果采用微处理器或DSP对多传感器的信号进行处理，它们无法并行执行多个任务，并且同其他系统进行互联，因此就会造成系统的处理时间延迟，可靠性差，从而导致事故无法及时避免。如果采用ASIC呢？随着用户对功能要求的不断增加，对性能要求的不断升级，也就要求算法要不断的改进，显然采用ASIC无论从灵活性还是成本上都是不合算的。图1是Xilinx专为汽车电子开发提供的功能模块，图2为在一颗Spartan-3E FPGA中针对“司机帮助”集成了很多的功能 。­

FPGA的设计：­

FPGA的功能越是强大，对设计的要求也就越高，毕竟有那么多的管脚需要跟其它芯片连接起来，有那么多的功能要一行一行地采用逻辑写出来，远远不是十年前处理门级电路的时候了。虽然今天大多数用过FPGA的工程师已经对这个痛苦的过程深有体会，我还是把他们列举在此：­

1. 电路板设计:­

现在的电路板设计动不动就是4层板、6层板甚至更多层，芯片的封装也变得稀奇古怪，什么QFN、BGA等等，如果发现了连接不对想手工修改，拿着烙铁都找不到往哪里烫，根本没有露出来的管脚。尤其是FPGA芯片， 256个管脚的BGA封装都算照顾你了，如果再增加一些功能，容量再大一些，一不留神就到1000多个管脚去了，光做原理图中的符号就要折腾你三天，完了还要拿着放大镜不断地检查，否则做回来的电路板极有可能是废的。这还不算，等你布局、布线的时候你会发现很多的线都是扭着的，一是难布，二是电气性能也不好，好在FPGA的管脚是可以重新配置的，修改一下管脚的定义就可以让芯片之间的联线能过做到最优。­

当然系统的速度高了，对高速数字设计方面的知识要求就是必须的了，这里面有一个词叫“信号完整性”，有几位美国大牛在这方面很有研究，其中有不少他们的著作翻译成中文了。如果你想真的理解并能够灵活应用，好好回炉去学扎实电磁场理论，不懂电磁理论，就不可能做好高速数字设计。FPGA支持各种高速串、并行总线并在很多系统中要和高速的数据、时钟进行连接，如果信号被你给搞得不完整了，整个系统性能会大大降低甚至不干活。­

一般的系统都会有一个需要大电流的Core电压(1.2V或1.8V等，取决于工艺)和一个需要小电流的接口电压(一般是+3.3V)，并且有多组不同的地。除了这些对工程师的布线提出挑战之外，还必须重视的一个部分就是锁相环(PLL/DLL)，这个部分的布线是相当的关键，一旦有问题，整个系统的性能就会大打折扣，虽然数字的电路不是0就是1，可它就跑不快了。­

2 逻辑设计：­

最初用PLD/FPGA的时候还都是采用图形输入法，直观而原始。现在FPGA的用户基本都在采用更高级的语言 - VHDL或Verilog，这种语言高级得如同C，用起来非常容易。但是您千万不能把它当C来使唤，毕竟硬件和软件还是不同的。4年前在我做硬件工程师的时候，一个擅写DSP软件的兄弟写了一段FPGA的代码，他花了整整一页的篇幅实现了一个用硬件的思路只要4句话就可以完成的功能，搞得我苦笑不得。在这里面要时刻注意的是，FPGA内部多个功能模块都是可以并行操作的，如果用程序的思路去写，基本上会让他们排着队串着出来，当成DSP用了。­

3 充分利用现有的资源：­

无需争议，今天你已经不可能徒手把一个Spartan-3E中哪怕最小的系列给填满了，重新写一个I2C接口，重新做一个以太网的MAC作为锻炼还可以，在实际的项目中每个都自己去写是不可取的，如何利用现有的资源是非常重要的。首先在每个人的设计工作中要注意积累，把曾经用得不错的功能模块认真完善后写好文档以便今后自己或他人使用；再次FPGA的厂商都在配套的软件中内嵌一些免费的功能模块，根据自己的需求可以灵活地进行配置使用。当今互联网时代，信息分享成了主旋律，因此你可以方便地在一些开源的社区中找到自己需要的东西，比如在www.openhw.org社区中你就可以找到并下载很多其他FPGA同仁们开发并验证过的功能模块，如果有问题还可以在社区内同他们进行互动交流，咨询等，要把这些先进的手段都用上。当然如果公司有财力，又需要在最短的时间内推出产品，您可以到FPGA厂商的网站上，那里陈列着琳琅满目的商用IP, 这些都是FPGA厂商会同他们认证过的联盟厂商共同推出来的，您可以放心地使用。图3为Xilinx公司为消费电子领域的“数字显示屏”提供的系列IP示例。­