一文详解FPGA的设计与应用

FPGA(Field-Program mable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。所以，要想玩转FPGA,就必须理解FPGA内部的工作原理，学习如何利用这些单元实现复杂的逻辑设计。

(一)FPGA的工作原理

FPGA一般来说比ASIC(专用集成芯片)的速度要慢，无法完成复杂的设计，但是功耗较低。但是 他们也有很多的优点比如可以快速成品，可以被修改来改正程序中的错误和更便宜的造价。厂商也可能会提供便宜的但是编辑能力差的FPGA.因为这些芯片有比 较差的可编辑能力，所以这些设计的开发是在普通的FPGA上完成的，然后将设计转移到一个类似于ASIC的芯片上。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输出输入模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。 现场可编程门阵列(FPGA)是可编程器件，与传统逻辑电路和 门阵列(如PAL,GAL及CPLD器件)相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表(16×1RAM)来实现组合逻辑，每个查找表连接到一 个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O,由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用 金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。

(二) FPGA设计的基础问题

FPGA的基础就是数字电路和VHDL语 言，想学好FPGA的人，建议床头都有一本数字电路的书，不管是哪个版本的，这个是基础，多了解也有助于形成硬件设计的思想。在语言方面，建议初学者学习 Verilog语言，VHDL语言语法规范严格，调试起来很慢，Verilog语言容易上手，而且，一般大型企业都是用Verilog语言，VHDL语言 规范，易读性强，所以一般军工都用VHDL.

1、工具问题

熟悉几个常用的就可以的，开发环境QuartusII ,或ISE 就可以了，这两个基本是相通的，会了哪一个，另外的那个也就很Easy了。功能仿真建议使用Modelsim ,如果你是做芯片的，就可以学学别的仿真工具，做FPGA的，Modelsim就足够了。综合工具一般用Synplify,初学先不用太关心这个，用 Quartus综合就OK了。

2、思想问题

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。

3、习惯问题

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。

4、算法问题

做FPGA的工程师，最后一般都是专攻算法了，这些基础知识都是顺手捏来的，如果你没有做好搞理论 的准备，学FPGA始终只能停留在初级阶段上。对于初学者，数字信号处理是基础，应该好好理解，往更深的方向，不用什么都学，根据你以后从事的方向，比如 说通信、图像处理，雷达、声纳、导航定位等。

(三) FPGA的配置模式

FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式;主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA;串行模式可以采用串行PROM编程FPGA;外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。

如何实现快速的时序收敛、降低功耗和成本、优化时钟管理并降低FPGA与PCB并行设计的复杂性等问题，一直是采用FPGA的系统设计工程师需要考虑的关键问题。如今，随着FPGA向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向发展，系统设计工 程师在从这些优异性能获益的同时，不得不面对由于FPGA前所未有的性能和能力水平而带来的新的设计挑战。

(四) FPGA设计的三大法则

第一 面积与速度的互换

这里的面积指的是FPGA的芯片资源，包括逻辑资源和I/O资源等;这里的速度指的是FPGA工作 的最高频率(和DSP或者ARM不同，FPGA设计的工 作频率是不固定的，而是和设计本身的延迟紧密相连)。 在实际设计中，使用最小的面积设计出最高的速度是每一个开发者追求的目标，但是“鱼和熊掌不可兼得”,取舍之间展示了一个开发者的智慧。

1.速度换面积

速度优势可以换取面积的节约。面积越小，就意味着可以用更低的成本来实现产品的功 能。速度换面积的原则在一些较复杂的算法设计中常常会用到。在这些算法设计中，流水线设计常常是必须用到的技术。在流水线的设计中，这些被重复使用但是使 用次数不同的模块将会占用大量的FPGA资源。对FPGA的设计技术进行改造，将被重复使用的算法模块提炼出最小的复用单元，并利用这个最小的高速代替原 设计中被重复使用但次数不同的模块。当然，在改造的过程中必然会增加一些其他的资源来实现这个代替的过程。但是只要速度具有优势，那么增加的这部分逻辑依 然能够实现降低面积提高速度的目的。

可以看到，速度换面积的关键是高速基本单元的复用。

2.面积换速度

在这种方法中面积的复制可以换取速度的提高。支持的速度越高，就意味着可以实现更高的产品性能。一些注重产品性能的应用领域可以采用并行处理技术，实现面积换速度。

第二 硬件可实现原则

FPGA设计通常会使用HDL语言，比如Verilog HDL或者VHDL.当采用HDL语言来描述一个硬件电路功能的时候，一定要确保代码描述的电路是硬件可实现的。

Verilog HDL语言的语法与C语言很相似，但是它们之间有着本质的区别。C语言是基于过程的高级语言，编译后可以在CPU上运行。而Verilog HDL语言描述的本身就是硬件结构，编译后是硬件电路。因此，有些语句在C语言的环境中应用是没有问题的，但是在HDL语言环境下就会导致结果不正确或者 不理想。

在C语言中运行没有任何问题，但是在Verilog HDL的环境下编译就会导致综合后的资源严重浪费。

第三 同步设计原则

同步电路和异步电路是FPGA设计的两种基本电路结构形式。

异步电路的最大缺点是会产生毛刺。同步设计的核心电路是由各种触发器构成的。这类电路的任何输出都是在某个时钟的边沿驱动触发器产生的。所以，同步设计可以很好地避免毛刺的产生。

(五) FPGA设计的主要应用

1、电路设计

连接逻辑，控制逻辑是FPGA早期发挥作用比较大的领域也是FPGA应用的基石。事实上在电路设计 中应用FPGA的难度还是比较大的这要求开发者要具备相应的硬件知识(电路知识)和软件应用能力(开发工具)这方面的人才总是紧缺的，往往都从事新技术， 新产品的开发成功的产品将变成市场主流基础产品供产品设计者应用在不远的将来，通用和专用IP的设计将成为一个热门行业!搞电路设计的前提是必须要具备一 定的硬件知识。在这个层面，干重于学，当然，快速入门是很重要的，越好的位子越不等人电路开发是黄金饭碗。

2、产品设计

把相对成熟的技术应用到某些特定领域如通讯，视频，信息处理等等开发出满足行业需要并能被行业客户 接受的产品这方面主要是FPGA技术和专业技术的结合问题，另外还有就是与专业客户的界面问题产品设计还包括专业工具类产品及民用产品，前者重点在性能， 后者对价格敏感产品设计以实现产品功能为主要目的，FPGA技术是一个实现手段在这个领域，FPGA因为具备接口，控制，功能IP,内嵌CPU等特点有条 件实现一个构造简单，固化程度高，功能全面的系统产品设计将是FPGA技术应用最广大的市场，具有极大的爆发性的需求空间产品设计对技术人员的要求比较 高，路途也比较漫长不过现在整个行业正处在组建“首发团队”的状态，只要加入，前途光明产品设计是一种职业发展方向定位，不是简单的爱好就能做到的!产品 设计领域会造就大量的企业和企业家，是一个发展热点和机遇。

3、系统级

系统级的应用是FPGA与传统的计算机技术结合，实现一种FPGA版的计算机系统，实现一个基本环境，在这个平台上跑LINUX等系统，这个系统也就支持各种标准外设和功能接口(如图象接口)了这对于快速构成FPGA大型系统来讲是很有帮助的。这种“山寨”味很浓的系统早期优势不一定很明显，类似ARM系统的境况但若能慢慢发挥出FPGA的优势，逐渐实现一些特色系统也是一种发展方向。若在系统级应用中，开发人员不具备系统的扩充开发能力，只是搞搞编程是没什么意义的，当然设备驱动程序的开发是另一种情况，搞系统级应用看似起点高，但不具备深层开发能力，很可能会变成爱好者，就如很多人会做网页但不能称做会编程。类似以上是几点个人观点，希望能帮助想学FPGA但很茫然无措的人理一理思路。这是一个不错的行业，有很好的个人成功机会。但也肯定是一个竞争很激烈的行业，关键看的就是速度和深度当然还有市场适应能力。