FPGA 是一種以數字電路為主的集成芯片，于 1985 年由 Xilinx 創始人之一 Ross Freeman 發明，屬于可編程邏輯器件（Programmable Logic Device，PLD）的一種。這個時間比著名的摩爾定律出現的時間晚 20 年左右，但是 FPGA 一經發明，后續的發展速度之快，超出大多數人的想象。

圖 1 中給出了 FPGA 芯片的實物圖：

圖 1 FPGA芯片實物圖

FPGA 發展歷程

在 PLD 未發明之前，工程師使用包含若干個邏輯門的離散邏輯芯片進行電路系統的搭建，復雜的邏輯功能實現起來較為困難。

為了解決這一問題，20 世紀 70 年代，可編程邏輯陣列（Programmable Logic Array，PLA）問世，PLA 中包含了一些固定數量的與門、非門，分別組成了“與平面”和“或平面”，即“與連接矩陣”和“或連接矩陣”，以及僅可編程一次的連接矩陣（因為此處編程是基于熔絲工藝的），因此可以實現一些相對復雜的與、或多項表達式的邏輯功能，PLA 內部結構如圖 2 所示：

圖 2 PLA內部結構

與 PLA 同時問世的還有可編程只讀存儲器（Programmable Read-Only Memory，PROM），其內部結構如圖 3 所示。與 PLA 相同，PROM 內部包含“與連接矩陣”和“或連接矩陣”，但是與門的連接矩陣是硬件固定的，只有或門的連接矩陣可編程。

圖 3 PROM內部結構

若只有與門的連接矩陣可編程，而或門的連接矩陣是硬件固定的，那么這種芯片叫作可編程陣列邏輯器件（Programmable Array Logic，PAL），根據輸出電路工作模式的不同，PAL 可分為三態輸出、寄存器輸出、互補輸出，但 PAL 仍使用熔絲工藝，只可編程一次。PAL 的結構圖如圖 4 所示。

圖 4 PAL結構圖

在 PAL 的基礎上，又發展出了通用陣列邏輯器件（Generic Array Logic，GAL），相比于 PAL，GAL 有兩點改進：

• 采用了電可擦除的 CMOS 工藝，可多次編譯，增強了器件的可重配置性和靈活性；

• 采用了可編程的輸出邏輯宏單元（Output Logic Macro Cell，OLMC），通過編程 OLMC 可將 GAL 的輸出設置成不同狀態，僅用一個型號的GAL就可以實現所有PAL器件輸出電路的工作模式，增強了器件的通用性。

GAL 的結構圖如圖 5 所示：

圖 5 GAL結構圖

早期的 PLD 主要由上述四種類型的芯片組成，即 PROM、PLA、PAL 和 GAL。它們的共同特點是可以實現速度特性較好的邏輯功能，但由于其結構過于簡單，所以只能實現規模較小的數字電路。

隨著科技的發展、社會的進步，人們對芯片的集成度要求越來越高。早期的 PLD 產品不能滿足人們的需求，復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）誕生。可以把 CPLD 看作 PLA 器件結構的延續，一個 CPLD 器件也可以看作若干個 PLA 和一個可編程連接矩陣的集合。CPLD 的內部結構圖如圖 6 所示。

圖 6 CPLD結構圖

FPGA 比 CPLD 早幾年問世，與 CPLD 并稱為高密度可編程邏輯器件，但它們有著本質的區別。FPGA 芯片的內部架構并沒有沿用類似 PLA 的結構，而是采用了邏輯單元陣列（Logic Cell Array，LCA）這樣一個概念，改變了以往 PLD 器件大量使用與門、非門的思想，主要使用查找表和寄存器。

除此之外，FPGA 和 CPLD 在資源類型、速度等方面也存在差異，如下表所示。

FPGA 的類型從內部實現機理來講，可以分為基于 SRAM 技術、基于反熔絲技術、基于 EEPROM/Flash 技術。就電路結構來講，FPGA 可編程是指三個方面的可編程：可編程邏輯塊、可編程 I/O、可編程布線資源。可編程邏輯塊是 FPGA 可編程的核心，我們上面提到的三種技術也是針對可編程邏輯塊的技術。

FPGA 的結構圖如圖 8 所示。

圖 8 FPGA結構圖

FPGA 的技術優勢

許多讀者都知道 FPGA 功能強大，但它強大在哪兒？

以單片機舉例說明，我們都知道，單片機功能強大，幾乎無所不能，而 FPGA 與之相比只強不弱。因為只要單片機能實現的功能，FPGA 就一定能實現，當然這需要加一個大前提——在 FPGA 資源足夠多的情況下。但是 FPGA 能實現的功能，單片機卻不一定能夠輕松實現，這是不爭的事實，如果你不相信，那只能說明你還不了解 FPGA。

說到這里，讀者不禁要問，既然 FPGA 這么厲害，為什么單片機的使用范圍更廣？那是因為在商業中，價格往往是影響產品的重要因素之一。

單片機的價格要遠遠低于 FPGA，而且根據性能和資源的不同，FPGA 的價格也存在很大差異，單枚 FPGA 芯片的價格從幾十元到幾十萬元不等。與之相比，單片機的價格要便宜很多，同樣的功能我們如果可以用價格低廉的單片機實現，就不會選擇相對昂貴的 FPGA 了，除非單片機滿足不了功能需求。所以公司自己進行開發時，為了節約成本，可能會選擇更加便宜的單片機，而不會選擇相對昂貴的 FPGA，因為單片機、ARM 這種微處理器的需求量很大，所以價格上更有優勢。

但無論是單片機、ARM 還是 FPGA，它們都只是一種幫助我們實現功能的工具，具體如何選擇，需要根據具體問題具體分析。總之，沒有萬能的工具，只有符合生產需求的工具。我們不應對某種工具存在偏見，要綜合考慮。同樣，當你了解得更多的時候，你會發現這些工具都需要掌握。

FPGA 的應用場景遠沒有單片機和 ARM 這么多，主要針對單片機和 ARM 無法解決的問題。比如要求靈活高效、高吞吐量、低批量延時、快速并行運算、可重構、可重復編程、可實現定制性能和定制功耗的情況，這些工作只能由FPGA承擔。

而相對于出于專門目的而設計的集成電路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC），FPGA 具有 3 點優勢：

1) 靈活性

通過對 FPGA 編程，FPGA 可以執行 ASIC 能夠執行的任何邏輯功能。FPGA 的獨特優勢在于其靈活性，即隨時可以改變芯片功能，在技術還未成熟的階段，這種特性能夠降低產品的成本與風險，在 5G 技術普及初期，這種特性尤為重要。

2) 上市時間縮短

對 FPGA 編程后即可直接使用，FPGA 方案無須經歷三個月至一年的芯片流片周期，為企業爭取了產品上市時間。

3) 有一定成本優勢

FPGA 與 ASIC 的主要區別在于 ASIC 方案有固定成本而 FPGA 方案幾乎沒有，在使用量小的時候，采用 FPGA 方案無須一次性支付幾百萬美元的流片成本，同時也不用承擔流片失敗的風險，此時 FPGA 方案的成本低于 ASIC 的，隨著使用量增加，FPGA 方案在成本上的優勢逐漸減少，超過某一使用量后，由于大量流片產生了規模經濟，因此 ASIC 方案在成本上更有優勢，如下圖所示：

圖 9 FPGA方案和ASIC方案的成本比較

因此，FPGA 通常在數字信號處理、視頻處理、圖像處理、5G 通信領域、醫療領域、工業控制、云服務、加速計算、人工智能、數據中心、自動駕駛、芯片驗證等領域發揮著不可替代的作用。只有掌握了通用的 FPGA 設計方法，才能在 FPGA 獨領風騷的領域中大展宏圖。

FPGA的應用方向

FPGA 介于軟件和硬件之間，用它做接口、做通信，它就偏向硬件；用它做算法、做控制，它就偏向軟件。隨著人工智能、機器視覺的崛起，FPGA 更加偏向軟件算法的異構，有和 GPU 一爭高下的潛力。

FPGA 與 GPU 性能對比圖如圖 10 所示：

圖 10 FPGA與GPU的性能對比圖

FPGA 軟件方向：以軟件開發為主，開發 FPGA 在數據分析、人工智能、機器視覺等領域的加速應用能力，主要采用 OpenCL 和 HLS 技術實現軟硬件協同開發。

FPGA 硬件方向：以邏輯設計為主，針對FPGA特定領域的應用設計、集成電路設計以及芯片驗證能力。

FPGA 最初的應用領域是通信領域，但是隨著信息產業和微電子技術的發展，FPGA 技術已經成為信息產業最熱門的技術之一，應用范圍擴大，遍及航空航天、汽車、醫療、廣播、測試測量、消費電子、工業控制等熱門領域，而且隨著工藝的發展和技術的進步，從各個角度開始滲透到生活當中。

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