1984年，Xilinx公司的創始人之一，密西根大學畢業生，RossFreeman第一次提出了可編程邏輯器件（PLD）的概念，讓芯片成為一個空白的畫布，可由工程師通過編程在上面任意“涂鴉”。

（瞻仰一下大神）

Freeman也因為這項發明進入2009美國發明家名人堂。遺憾的是英年早逝的他沒能看到他所締造的FPGA帝國是多么的輝煌。

清華大學微電子研究所所長，中國半導體行業協會副理事長魏少軍先生曾用印一本書來區別芯片的設計、制造、封測過程：設計相當于作家寫了一本書，制造相當于印刷，封裝相當于裝訂。那么FPGA是什么？如果是一個專業從事FPGA工作的老攻城獅可能會告訴你，”Field Programmable Gate Array“，然后再補上一句”It can be anything you want“。網上也有很多通俗易懂的類比。例如把FPGA的開發看作是數字積木搭建，東南大學湯勇明老師就寫過一本《搭建你的數字積木——數字電路與邏輯設計》

一個個IP就像是一塊塊積木，通過調用IP"搭建"特定功能的電路，這個比喻來說明FPGA的開發再合適不過了。

也有人將FPGA比作是空白的大腦，大腦里面存在成千上萬的神經元細胞，但是神經元之間并沒有連接起來，也就還沒有大腦強大的功能，但是當工程師用Verilog或者vhdl來對FPGA進行布局布線之后，神經元就連接到了一起，大腦也就有了一些功能，給大腦輸入羊肉泡饃的畫面，會流口水之類的反應。這個比喻來形容FPGA的設計原理再合適不過了。

另外，還有人將FPGA中的一些組成部分和生物化學有機體類比。FPGA中最基本的單元——可編程邏輯單元（CLB），可以類比為有機體中的蛋白質分子，生物化學的角度上，蛋白質可以合成更高更復雜的器官，例如心，肝，胃，胳膊腿等，那么同樣CLB作為電子有機體中的蛋白質分子，當然就可以合成一個電子有機體（類比人）的各個模塊（器官），有的器官復雜，需要很多蛋白質分子分層次合成，那么同樣，有的電子系統的模塊的也極其復雜，需要CLB分層次合成。

那么蛋白質分子在合成各種不同的器官的時候，靠什么做指導嘞？人體內部有著極其龐大復雜的DNA序列，這個DNA序列記錄著人體的所有信息。在受精卵生成胚胎階段，其中的某一段序列指導胚胎的這一坨（也就是這一堆蛋白質分子）成為未來的手，另一端序列指導胚胎的另一堆蛋白質分子成為未來的胳膊。那么同樣，在FPGA中也會有等價于生物化學有機體中的DNA，就是bit_stream。bit_stream和DNA完全類似，就是一段序列，指導著若干CLB合成某一個執行具體功能的模塊。

在有機體中還有脂肪的存在，脂肪的一大作用就是存儲能量，在FPGA中負責存儲的是BRAM，不同的是脂肪儲存的是能量，BRAM儲存的是數據。????????

FPGA中還有一個很重要的東西叫做DSP，即數字信號處理器，在人的大腦里面有一片腦回溝區域專門負責數學運算，兩者可以做一個類比。

生物體中還有一個十分重要的器官叫心臟，而FPGA中有一個東西叫時鐘，心臟控制脈搏，時鐘則負責整個系統的工作頻率。有了心臟，人類才得以正常活動，有了時鐘，系統才得以有條不紊的運行。

在FPGA的設計當中編寫的RTL代碼，通過軟件工具可以生成人類看不懂的bit_stream,也就是說工程師每天的工作都是在編寫FPGA的DNA,在生物學領域，我相信大多數的科學家畢生都在做著解讀‘人類天書’DNA的工作吧。這樣一一類比下來感覺FPGA的開發就像是在造人一樣，頓時感覺代碼都不枯燥了。

首款 FPGA，即賽靈思 XC2064，只包含 64 個邏輯模塊，每個模塊含有兩個 3 輸入查找表 (LUT) 和一個寄存器。按照現在的計算，該器件有 64 個邏輯單元——不足 1000 個邏輯門。盡管容量很小，XC2064 晶片的尺寸卻非常大，比當時的微處理器還要大;而且采用 2.5 微米工藝技術勉強能制造出這種器件。但隨著IC制造工藝的發展，FPGA也迅速發展，資源爆炸式增長，ZYNQ系列的Z-7100的邏輯單元已經到了444k。

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與FPGA同為PLD的還有CPLD，CPLD（Complex Programmable Logic Device）,復雜可編程邏輯器件。CPLD由可編程邏輯的功能圍繞一個可編程互連矩陣構成，由固定長度的金屬線實現邏輯單元之間的互連，并增加了I/O控制模塊的數量和功能。

CPLD的基本結構可看成由可編程邏輯陣列（LAB），可編程I/O控制模塊和可編程內部連線（PIA）等三部分組成。

可編程邏輯陣列（LAB）:由若干個可編程邏輯宏單元（Logic Macro Cell，LMC）組成，LMC主要包括與陣列、或陣列、可編程觸發器和多路選擇器等電路，能獨立地配置為時序或組合工作方式。

FPGA由可編程邏輯塊（CLB），輸入/輸出模塊（IOB）及可編程互連資源（PIR）等三種可編程電路和一個SRAM結構的配置存儲單元組成。CLB是實現邏輯功能的基本單元，他們通常規則排列成一個陣列，散布于整個芯片中。可編程輸入/輸出模塊（IOB）主要完成芯片上的邏輯與外部引腳的接口，它通常排列在芯片的四周。可編程互連資源（PIR）包括各種長度的連線線段和一些可編程鏈接開關，他們將各個CLB之間或CLB與IOB之間以及IOB之間連接起來，構成特定功能的電路。

CLB主要由邏輯函數發生器，觸發器，數據選擇器等電路組成。邏輯函數發生器主要由查找表（Look Up Table）構成。

查找表LUT實質上是一個RAM，當用戶描述了一個邏輯電路后，軟件會計算所有可能的結果，并寫入RAM。每一個信號進行邏輯運算，就等于輸入一個地址進行查表，找出地址對應的內容，輸出結果。這樣也大大加快了FPGA的運算速度。

FPGA和CPLD的區別主要有以下幾點：

（1） FPGA采用SRAM進行功能配置，可重復編程，但系統掉電后，SRAM中的數據丟失，因此，需要在FPGA外加EPROM，將配置數據寫入其中，系統每次上電自動將數據引入SRAM中。CPLD器件一般采用EEPROM存儲技術，可重復編程，并且系統掉電后，EEPROM中的數據不會丟失，適用于數據的保密。

（2）FPGA器件含有豐富的觸發器資源，易于實現時序邏輯，如果要求實現較復雜的組合電路，則需要幾個CLB結合起來實現。CPLD的與或陣列結構，更適用于實現大規模組合功能，但觸發器資源相對較少。

（3）FPGA是細顆粒度結構，CPLD是粗粒度結構。FPGA內部有豐富連線資源，CLB分塊較小，芯片利用率高。CPLD宏單元的與或陣列較大，通常不能完全被應用，且宏單元之間的主要通過高速數據通道連接，其容量有限，限制了器件的靈活布線，因此，CPLD利用率較FPGA器件低。

（4）FPGA為非連續式布線，CPLD為連續式布線。FPGA器件每次編程時實現的邏輯功能一樣，但走的路線不同，因此延時不易控制，即時序延遲不可預測。CPLD每次布線路徑一樣，消除了分段式互連結構在定時上的差異，并在邏輯單元之間提供快速且具有固定延時的通路，CPLD的延時小，且時序延遲可預測。CPLD比FPGA可工作在更高的頻率。

所以FPGA是什么？

It?can be?anything you want!

參考文獻：

[1]知乎用戶PIPI.FPGA與CPLD基本結構與區別[OL].

(2020-09-05).https://zhuanlan.zhihu.com/p/218280002

[2]知乎用戶帥晶晶.(2019-12-22).

https://www.zhihu.com/question/326525860/answer/946167907

[3]張國斌.賽靈思，你都第一了還這樣拼會讓追趕著很絕望啊[OL].(2019-10-11)

作者：Fanxin Meng

編輯：黃飛

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