長期以來，電子行業(yè)一直將仿真和原型制作作為其重要領(lǐng)域。電子公司使用其標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議設(shè)計(jì)專用于其產(chǎn)品的硬件，這使得最終用戶根據(jù)其需求重新配置硬件具有挑戰(zhàn)性。對(duì)硬件的這種要求導(dǎo)致了新的稱為FPGA（Field Programmable Gate Array）的客戶可配置現(xiàn)場可編程集成電路領(lǐng)域的增長。

在本文中，英銳恩單片機(jī)開發(fā)工程師將介紹FPGA架構(gòu)和應(yīng)用。

一、什么是FPGA？

FPGA是Field Programmable Gate Array的簡稱，中文稱為現(xiàn)場可編程門陣列，這是一種廣泛用于電子電路中的設(shè)備。FPGA是包含可編程邏輯塊和互連電路的半導(dǎo)體器件，制造后可以對(duì)其進(jìn)行編程或重新編程為所需的功能。

二、FPGA基礎(chǔ)

制造電路板時(shí)以及電路板中是否包含F(xiàn)PGA時(shí)。這是在制造過程中編程的，以后可以再編程以創(chuàng)建更新或進(jìn)行必要的更改。

FPGA的這一功能使其在ASIC中獨(dú)樹一幟。專用集成電路（ASIC）是為特定設(shè)計(jì)任務(wù)定制制造的。過去，F(xiàn)PGA用于開發(fā)低速，復(fù)雜和批量設(shè)計(jì)，但如今，F(xiàn)PGA輕松將性能障礙推至500MHz。

在單片機(jī)中，該芯片是為客戶設(shè)計(jì)的，他們必須編寫軟件并將其編譯為十六進(jìn)制文件才能加載到單片機(jī)中。該軟件存儲(chǔ)在閃存中，可以輕松更換。

在FPGA中，沒有處理器可以運(yùn)行該軟件，因此我們是設(shè)計(jì)電路的人。我們可以將FPGA配置為與門一樣簡單，也可以配置為多核處理器。

為了創(chuàng)建設(shè)計(jì)，我們編寫了兩種類型的硬件描述語言（HDL）– Verilog和VHDL。然后，使用BITGEN將HDL合成為位文件以配置FPGA。FPGA將配置存儲(chǔ)在RAM中，即在沒有電源連接時(shí)配置會(huì)丟失。因此，必須在每次供電時(shí)對(duì)其進(jìn)行配置。

三、FPGA架構(gòu)

FPGA是預(yù)制的硅芯片，可以對(duì)其進(jìn)行電氣編程以實(shí)現(xiàn)數(shù)字設(shè)計(jì)。第一個(gè)基于靜態(tài)存儲(chǔ)器的FPGA被稱為SRAM，用于使用配置位流配置邏輯和互連。今天的現(xiàn)代EPGA包含大約330000個(gè)邏輯塊和大約1100個(gè)輸入和輸出。

FPGA架構(gòu)由三個(gè)主要組件組成：

（1）可編程邏輯塊，實(shí)現(xiàn)邏輯功能；
（2）可編程路由（互連），實(shí)現(xiàn)功能；
（3）I/O模塊，用于進(jìn)行片外連接。

四、可編程邏輯塊

可編程邏輯塊提供了數(shù)字系統(tǒng)中使用的基本計(jì)算和存儲(chǔ)元素?；具壿嬙煽删幊探M合邏輯，觸發(fā)器和一些快速進(jìn)位邏輯組成，以減小面積并降低延遲成本。

現(xiàn)代FPGA包含不同塊的異構(gòu)混合物，例如專用存儲(chǔ)塊，多路復(fù)用器。在整個(gè)邏輯塊中使用配置存儲(chǔ)器來控制每個(gè)元素的特定功能。

五、可編程路由

可編程路由在邏輯塊和輸入/輸出塊之間建立連接，以完成用戶定義的設(shè)計(jì)單元。它由多路復(fù)用器通過晶體管和三態(tài)緩沖器組成。在邏輯集群中使用傳輸晶體管和多路復(fù)用器連接邏輯元件。

六、可編程I/O

可編程的I/O焊盤用于將邏輯塊和路由體系結(jié)構(gòu)連接到外部組件。I/O焊盤和周圍的邏輯電路形成為I/O單元。這些單元占用了FPGA面積的很大一部分。I/O可編程塊的設(shè)計(jì)很復(fù)雜，因?yàn)殡娫措妷汉蛥⒖茧妷褐g存在很大差異。標(biāo)準(zhǔn)的選擇在I/O架構(gòu)設(shè)計(jì)中很重要。支持大量標(biāo)準(zhǔn)可以增加I/O單元所需的硅芯片面積。

七、FPGA架構(gòu)及其應(yīng)用

隨著技術(shù)的進(jìn)步，基本的FPGA體系結(jié)構(gòu)通過添加更多的專用可編程功能塊而得以發(fā)展。由于對(duì)應(yīng)用程序的此類資源的需求頻率很高，因此特殊功能塊（如ALU，塊RAM，多路復(fù)用器，DSP-48和微處理器）已添加到FPGA。

八、FPGA的應(yīng)用

1.在過去的幾十年中，F(xiàn)PGA已迅速被接受。以下是FPGA在各種技術(shù)中的一些應(yīng)用。
2.用戶可以將它們應(yīng)用于廣泛的應(yīng)用程序，例如隨機(jī)邏輯、SPLD、設(shè)備控制器、通信編碼和過濾。
3.通過使用許多互連的FPGA對(duì)整個(gè)大型硬件系統(tǒng)進(jìn)行仿真。
4.它們?yōu)闈M足機(jī)器視覺，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，電機(jī)控制和視頻監(jiān)控提供了強(qiáng)大的解決方案。
5.FPGA用于定制計(jì)算機(jī)中。
6.FPGA提供了高度并行的自定義計(jì)算和低成本計(jì)算的獨(dú)特組合。

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