許多經驗豐富的嵌入式設計工程師，他們都是微控制器（MCU）背景，因此對于FPGA是什么以及FPGA能做什么只有一個模糊的概念。如果問急了，他們會說“你可以通過配置FPGA讓它做不同的事情”諸如此類的話，但他們真的不是很清楚FPGA里面有什么，或者如何在設計中使用FPGA。

事實上，MCU對有些任務來說是很適合的，但對其它一些任務來說可能做的并不好。舉例來說，當需要并行執行大量計算任務時，FPGA可能會讓你喜出望外。在本文中我們將討論FPGA的硬件屬性。

簡單的FPGA構造

在集成電路領域人們經常會聽到構造（fabric）這個術語，它指的是FPGA器件的底層基礎結構。（作為一個興趣點，單詞“構造”來自中世紀英語fabryke，意思是“建造的某些東西”）。下面讓我們從FPGA中的內核可編程構造開始吧……如果我們仔細觀察FPGA封裝的內部，我們將看到硅片（技術術語裸片）。可編程構造表現為可編程邏輯塊陣列，如下圖所示。如果我們用放大鏡“放大查看”，我們可以看到這種構造由沉浸于可編程互連“海洋”中的許多邏輯“島”（可編程邏輯塊）組成。

圖1：簡單的FPGA構造。

基本FPGA可編程構造的一般性表示。

是啊，我確實是用自己的雙手親自創作的這幅圖片，我因此感到非常自豪呢，非常感謝你加以關注。如果我們進一步放大，我們可以看到，每個可編程模塊都包含有許多數字功能。在這個例子中，我們可以見到一個三輸入的查找表（LUT）、一個復用器和一個觸發器，但重要的是我們要認識到，這些功能的數量和類型對不同系列的FPGA來說是會變化的。

觸發器可以被配置（編程）為寄存器或鎖存器；復用器可以被配置為選擇一個到邏輯塊的輸入或LUT的輸出；LUT可以被配置為代表任何所要求的邏輯功能。

更詳細地了解LUT

上面所示的簡單例子包含一個三輸入的查找表（LUT）。在實際應用中，即使最簡單的FPGA都會使用四輸入LUT，而一些更大更復雜的器件甚至會宣稱使用六、七或八輸入的LUT，但為了簡單起見，我們還是討論三輸入版本。

我們會在以后的文章中討論各種類型的FPGA實現技術。現在我們只需要知道，FPGA內部的可編程單元可以用反熔絲、閃存單元或SRAM內存單元來實現。先讓我們看一個用反熔絲技術創建的FPGA吧。這是一種一次性可編程（OTP）技術，這意味著一旦你編程了這個FPGA，它將永遠保持這個狀態而不再改變。

形象化介紹這種技術的最簡單方法是用下圖所示級聯的2:1復用器（MUX）。對基于反熔絲技術的FPGA來說，編程器件相當于通過“硬件連線”將第一組復用器的輸入連接到實現目標邏輯功能所需的正確0或1值。下圖中所示的值反映的實際結果是，我們使用這個LUT實現了前面那張圖隱含的公式y=（a & b）|c。在實際應用中，復用器可以用場效應管的分支“樹”來實現，但我們在這里真的不用擔心最底層的實現細節。

圖2：輸入值經“硬件連接的”反熔絲型LUT（左），輸入從SRAM單元饋入的SRAM型LUT（右）。

另外一種非常常見的FPGA實現技術是使用SRAM配置單元。同樣，我們會在以后的文章中討論更多的細節。這里我們所要知道的僅是當電路板第一次上電時，基于SRAM的FPGA會加載配置信息（我們可以把這個過程想像為器件的編程）。作為這種配置的一部分，用作LUT復用器輸入的SRAM單元會被加載進上圖所示的目標0或1值。

我沒有顯示0和1被加載進SRAM單元的那種機制，因為我不想讓問題變得復雜。出于這次討論的目的，我們真的無需擔心這種“魔術”是如何發生的。我在這里唯一要提的事（給你考慮的空間）是—使用一種被稱為部分再配置的技術—FPGA的一部分可以發起對另一部分進行再配置（當然反過來也行）。對于具有微控制器和/或軟件背景的讀者來說，我們可以將這種技術想象為相當于自我修改代碼的硬件。這意味著這種技術是非常非常強大的，但也會帶來很難隔離和調試的問題。

通用的輸入和輸出

FPGA器件還包含有通用的輸入/輸出（GPIO）引腳和焊盤（圖1中沒有顯示）。通過配置單元，FPGA器件內的互連部分可以被編程為這樣：將器件的主輸入連接到一個或多個可編程邏輯塊的輸入。任何邏輯塊的輸出也可以用來驅動任何其它邏輯塊的輸入和/或FPGA器件的主輸出。另外，GPIO引腳可以被配置為支持種類廣泛的I/O標準，包括電壓、終端阻抗、擺率等。

世界上第一塊FPGA與本文中討論的架構非常類似。這塊FPGA就是賽靈思公司在1985年推出的XC2064（是用2um工藝節點制造的），它包含有8×8=64的邏輯塊陣列，每個邏輯塊包含一個四輸入LUT和其它一些簡單功能。從那以后，FPGA發展勢不可擋，正像我們看到的那樣……更為復雜的FPGA架構

正如我們在前面說的那樣，賽靈思公司在1985年推出的第一塊FPGA—XC2064包含8×8=64的邏輯塊陣列，每個邏輯塊包含一個四輸入查找表及其它一些簡單功能。由于它們的容量非常有限，因此早期的FPGA只用來執行一些相對簡單的任務，比如集中一些膠合邏輯，或實現基本的狀態機。然而隨著時間的推移，事情開始改變……隨著時間的推移和工藝節點的進步，FPGA的容量和性能不斷得到提高，功耗卻不斷的下降。直到大約2006年以前廣泛使用的一直是四輸入查找表。事實上，在寫這篇文章之時，較小的FPGA系列器件仍在使用四輸入的查找表，但一些高端器件可能使用六、七或八輸入的查找表。這些大家伙可能被用作一個大的查找表，或分裂成許多更小的功能，比如兩個四輸入的查找表或一個三輸入一個五輸入的查找表。在實際的高端器件中，這種可編程構造可以描述相當于百萬級（有時甚至千萬級）的原始邏輯門。

如果某個邏輯功能（比方說計數器）是用FPGA的可編程構造實現的，那么這個功能可以被說成“軟功能”。相比之下，如果某個功能是直接用芯片實現的，則被說成“硬功能”。（隨著這些功能變得越來越大越來越復雜，我們一般稱它們為內核）。軟內核的優勢在于，你可以讓它們做你想讓它們做的任何事。硬內核的優勢是它們占用較少的硅片面積，具有較高的性能，并且功耗較低。最優的解決方案是混合使用軟內核（用可編程構造實現）和硬內核（直接用硅片實現）。這樣，除了基于查找表的可編程構造外，今天的FPGA可以利用以下介紹的各種硬內核進行性能增強：

圖3：更復雜的FPGA架構。

舉例來說，該器件可能包含數千個加法器、乘法器和數字信號處理（DSP）功能；數兆位的片上內存，大量的高速串行互連（SERDES）收發器模塊，以及眾多的其它功能。

責任編輯：lq6