FPGA芯片簡介

? 大俠好，歡迎來到FPGA技術江湖，江湖偌大，相見即是緣分。大俠可以關注FPGA技術江湖，在“闖蕩江湖”、"行俠仗義"欄里獲取其他感興趣的資源，或者一起煮酒言歡。 ?

大俠好，歡迎來到FPGA技術江湖。本系列將帶來FPGA的系統性學習，從最基本的數字電路基礎開始，最詳細操作步驟，最直白的言語描述，手把手的“傻瓜式”講解，讓電子、信息、通信類專業學生、初入職場小白及打算進階提升的職業開發者都可以有系統性學習的機會。

系統性的掌握技術開發以及相關要求，對個人就業以及職業發展都有著潛在的幫助，希望對大家有所幫助。后續會陸續更新 Xilinx 的 Vivado、ISE 及相關操作軟件的開發的相關內容，學習FPGA設計方法及設計思想的同時，實操結合各類操作軟件，會讓你在技術學習道路上無比的順暢，告別技術學習小BUG卡破腦殼，告別目前忽悠性的培訓誘導，真正的去學習去實戰應用，這種快樂試試你就會懂的。話不多說，上貨。

FPGA芯片簡介

作者：郝旭帥??校對：陸輝

在介紹FPGA芯片之前，首先介紹一下等效電路。

先解釋一下“等效”。

等效是指效用相同。通俗的解釋就是不關心過程，結果是相同的。

圖1 ：行走路徑圖

舉例說明：小明現在在A點，想要到C點去。從圖1中我們簡單分析出，可以是A點 —> B點 —> C點，也可以A點 —> D點 —> C點。如果小明不嫌棄累的話，也可以A點 —> B點 —> A點 —> D點 —> C點。在我們不考慮不過程的情況下，只考慮最后小明的位置，那么無論哪種方案，最終的結果都是相同的。

在做電路的設計和分析的時候，我們也經常引入等效的概念，來解決復雜的問題。例如：諾頓定理（Nortons ?theorem）和戴維南定理(Thevenin's ?theorem)。在這里這兩個定理不做過多介紹，有興趣的讀者可以自行查詢。

黑盒測試也稱功能測試，它是通過測試來檢測每個功能是否都能正常使用。在測試中，把程序看作一個不能打開的黑盒子，在完全不考慮程序內部結構和內部特性的情況下，在程序接口進行測試，它只檢查程序功能是否按照需求規格說明書的規定正常使用，程序是否能適當地接收輸入數據而產生正確的輸出信息。黑盒測試著眼于程序外部結構，不考慮內部邏輯結構，主要針對軟件界面和軟件功能進行測試。

黑盒測試是以用戶的角度，從輸入數據與輸出數據的對應關系出發進行測試的。很明顯，如果外部特性本身設計有問題或規格說明的規定有誤，用黑盒測試方法是發現不了的。

圖2 ：某數字電路模型

已知圖2-1所示數字電路為組合邏輯，經過測試后，得出如下功能表（真值表）。

圖3 ：功能表

根據對功能表的分析，可以認定圖2所示數字電路完成了二輸入與門的功能。那這個電路里面一定是一個二輸入與門嗎？答案是：不一定。

圖4 ：利用兩個與非門構成的與門

利用兩個與非門按照圖2-4的方式連接，就可以構成一個“與門”。所以我們只能說圖2所示數字電路只是完成了二輸入與門的功能，不能說明內部就是一個二輸入的與門；或者說圖2所示數字電路等效為二輸入與門。

在數字組合邏輯電路設計時，給出真值表后，容易得出一個布爾表達式。布爾表達式我們可以化簡，化簡的每個階段，我們都可以做出對應的電路圖。那么這些電路都是等效電路，只是電路延遲可能會有細微的差距。

在學習數字電路基礎時，布爾表達式化簡完后，經常讓我們化簡為與非的形式，也就是說最后的電路都要用與非門來實現？這件事情怎么證明呢？

基本邏輯的門電路有很多，例如：與門、非門、或門、與非門、異或門、或非門等等。但是最最基本的門電路只有三種：與門、非門、或門，其他的門電路或者復雜電路都可以由這三種基本電路所構成。只要證明與非門可以實現這三種邏輯門的功能就可以證明與非門可以實現所有的電路功能。

在圖4中已經證明與非門可以實現與門。下面給出與非門實現或門（圖5）和與非門實現非門（圖6）。

圖5 ：利用三個與非門構成的或門

圖6 ：利用一個與非門構成的非門

通過之前的敘述可以證明，與非門可以實現任何數字邏輯。

所有的數字組合邏輯的功能，都可以用一個真值表來確定，我們利用一些方法，將真值表對應的邏輯功能，用電路的方式實現出來，就組成了數字電路。我們回過頭來，看一下真值表，我們可以把真值表看做是一個查找表，怎么查找呢？把輸入的電平值作為查表的依據，然后得出對應的結果值即可。

在做設計時，經常會需要一個多路選擇器，下面我們以二選一多路選擇器為例。

圖7 ：二選一多路選擇器示意圖

當S=0時，Y=A；當S=1時，Y=B。根據已知功能，列出真值表（圖2-8）。

圖8 ：二選一多路選擇器的真值表

根據數字組合邏輯電路的設計方法，首先做出布爾表達式，經過化簡，得出簡化后的布爾表達式，最后做出電路。

如果需要一個二選一多路選擇器的等效電路，不關心內部是如何實現的。那么我們設計時，只需要考慮實現真值表的功能即可。當我們把真值表看做查找表時，A、B、S都是輸入，任意指定一組值，都可以得出后面對應的Y即可。

下面解釋一種器件：存儲器。

存儲器(Memory)是現代信息技術中用于保存信息的記憶設備。它根據控制器指定的位置存入和取出信息。

圖9 ：存儲器模型

存儲器中被分為了很多“小格子”，每一個“小格子”里面都可以放下很多的二進制數碼。每個小格子都會有自己獨特的標識，就像我們的門牌號一樣，每個屋都是不同的。邏輯功能是當外部輸入一個“門牌號”，對應的“小格子”里面的二進制數碼就會輸出。

存儲器中的“小格子”的數量，在制造時，就已經確定。“小格子”的數量確定了，那么“門牌號”的形勢也就被確定了。例：我們有100個房間，我們只有兩個十進制的數碼就可以表示了，00至99。在存儲器中，“門牌號”也只能用二進制數來表示，例如：有4個“小格子”，那么“門牌號”就要用兩個二進制碼來表示，00~11。每個“小格子”里面存放的二進制數的個數，在制造時，也就確定好了。

通常我們把“門牌號”稱為地址，“小格子”稱為單個地址的存儲空間，每個“小格子”能放下的二進制數碼的個數稱為“存儲器的存儲位寬”。

制作一個擁有8個地址，單個地址空間為1個二進制數碼的存儲器。此時，地址碼應該有三位，每個地址對應的存儲二進制數碼的個數為1個。要求：000地址中，放入0；001地址中，放入0；010地址中，放入1；011地址中，放入1；100地址中，放入0；101地址中，放入1；110地址中，放入0；111地址中，放入1；

圖10 ：存儲器示意圖

按照我們存儲器的邏輯功能，給與地址，存儲器就會給出對應地址中所存放的數據。那么存儲器的功能表如下：

圖11 ：存儲器的功能表

將存儲器的功能表圖11和二選一多路選擇器的真值表圖8相對比，我們會發現，除了自定義的信號名稱不相同外，邏輯功能是相同的。那么也就是說，在黑盒設計時，我們可以將一個帶有預設值的存儲器放進去，它所對外的功能，也是可以實現二選一多路選擇器的。此時，我們可以帶有預設值的存儲器可以等效為二選一多路選擇器。

仔細觀察，我們發現，任意真值表都可以用存儲器來等效。那也就是說，存儲器電路可以等效為任意組合邏輯的電路。

存儲器電路的優勢：不用做任何邏輯化簡，不受基本邏輯門電路的樣式限制，可以很快的得出最終的電路功能。如果存儲器可以任意修改預設值的話，那么同一個存儲器就可以隨著不同的預設值等效為各類的電路。如果是基本門電路構成的話，就需要受到數量和樣式的限制。

存儲器電路的劣勢：對于簡單的門電路，用存儲器實現是一種浪費。存儲器電路也是一種相對復雜的電路。另外存儲器電路的延遲一般偏大，原因同上。

在做數字組合邏輯電路設計時，如果采用門電路的設計方式，需要更新電路功能時，就需要重新布置電路結構，更換基本電路元器件；如果采用存儲器等效的設計方式，只需要更改預設值即可。這種方法為我們做電路升級提供了一個很好的解決途徑。

FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發展的產物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點。

在介紹FPGA芯片結構之前，首先就FPGA和單片機做一個簡單的對比。

單片機是一種微處理器，類似于電腦 CPU。它的電路是固定的，是通過軟件編程語言描述軟件指令控制微處理器進行工作；它的所有指令都是微處理器順序執行的；

圖12 ：某單片機結構圖

FPGA是一種半定制電路。它的電路也是固定的，但是可以通過硬件編程語言描述電路功能，重新配置電路功能，得到我們想要的電路的等效電路；它的所有功能都是利用電路來直接實現的，所有的功能都是可以并行執行。

圖13 ：與門邏輯功能示意圖

要求實現兩路信號的與操作，將結果作為一路信號輸出。那么在單片機中和FPGA中都是如何實現此功能的呢？

在單片機中，假設我們已經將對應的變量和引腳已經分配結束。我們會編寫如下一段代碼：

CPU會首先去讀取A管腳的電平值，放入到自己的通用寄存器。然后讀取B管腳的電平值放入到自己的通用寄存器。然后將兩個電平值進行相與，結果寫入通用寄存器。最后將存放結果的通用寄存器的值存入到Y管腳對應的寄存器。每一步都需要很久的時間。

在FPGA內部會形成一個存儲器的等效電路（與門），直接將A管腳電平和B管腳的電平相與的結果用線連接到Y管腳了。

有些人可能不太明白，覺得這兩個是相同的。都是取兩個電平，然后把結果輸送出去。不一樣的地方有兩個：

第一：單片機執行是順序的，也就是說，每個時刻只能做一件事情。假設A管腳被取完電平后，突然降低一段時間，然后又拉高了。但是此時CPU去取B管腳電平或者輸送結果到Y管腳了。那么整個設計將不會察覺到A管腳被拉低了一段時間。在FPGA中，都是直接線連接的，沒有任何控制邏輯，任何的變化都會直接反映到電路的結果上。

第二：由于單片機的執行時順序的，也就是有一個時間表，每一個時刻干什么規定好的。而FPGA是純邏輯實現，每時每刻所有的電路都在工作。速度上要比單片機快很多。

所以FPGA的本質實現是靠自己的邏輯功能電路來實現，單片機是靠控制CPU，讓CPU單個控制各個邏輯功能電路順序實現的。

在數字電路基礎中，我們知道，所有的數字電路都是由組合邏輯和時序邏輯構成，而時序邏輯是由組合邏輯和時序邏輯器件構成。所以數字電路是由組合邏輯和時序邏輯器件構成。

電路的重新配置按照現在的技術還實現不了。例如：有一個asic，現在想要他換一種功能，這是現在實現不了的，因為其中的電路是固定的，并且沒有重新配置的功能。

如果想要電路能夠重新配置，在上一節中敘述存儲器等效電路時，我們了解到存儲器電路預設不同的值是可以完成不同的電路功能。

在FPGA中，由一定的存儲器等效電路和時序邏輯器件構成最小單元。那么此單元可以被配置成為組合邏輯、時序邏輯。

圖14 ：CYCLONE IV E 可編程最小單元示意圖

CYCLONE IV E是INTEL FPGA中CYCLONE系列的第四代。在上圖中，四輸入查找表（Four – Input LUT）其實就是一個有16存儲空間，每個存儲空間只有1個二進制數字的存儲器，LUT（Look Up Table）就是查找表。設置合理的預設值，就可以實現一定的數字組合邏輯電路功能。

那為什么要固定為16存儲器空間呢？如果我們要實現一個5輸入的與門，那16個存儲空間就不夠用了。那么此時我們應該怎么辦？

其實也很簡單，只需要將5輸入的與門分為一個四輸入的與門，然后把結果和另外一個輸入進行相與即可。對于存儲器電路也可以這樣做。

如果可以級聯的話，那么做成2輸入的是不是也可以的。原則上是可以的，但是如果我們實現的邏輯功能比較復雜的話，那么就會級聯特別長，延時就會很大。那做成1000輸入的話，是不是就好了，再復雜的話，都不用級聯。可是在設計時，我們做的不僅僅是復雜邏輯，還有很多的不復雜的，那么一個二輸入與門的設計也要占用一個1000輸入，那就得不償失了。所以經過衡量，最終設計者將輸入做成了4輸入的查找表。

經過不斷的發展，FPGA在各個場合的應用越來越多，所做的設計越來越復雜，要求的延遲越來越小。于是新出的FPGA系列擁有更多的輸入查找表。

在圖2-14中，后面還有一個時序邏輯器件。這個時序邏輯器件是FPGA廠商直接做到FPGA內部的，我們設計電路時，不需要設計，只需要調用出來即可。

由此，我們就可以實現組合邏輯和時序邏輯的一個小部分了。但是復雜的設計，往往是需要級聯的。

圖15 ：CYCLONE IV 中結構示意圖

LAB中包含了很多最小可編程單元，這些可編程單元完成電路的一部分功能。然后通過各種interconnect（連線）互聯，最終實現我們想要的復雜的邏輯功能。

通過可編程單元和連線資源就可以完成各種電路功能，但是最終還是在芯片內部，為了能夠和外部的芯片進行通信，一定會需要IO單元。

圖16 ：CYCLONE IV的IO單元

在IO單元中，我們可以發現整個IO單元可以被配置為輸入、輸出、輸入出。并且其中可以是否配置上拉電阻，以及電路延遲等等功能。

FPGA的IO數量較多，在需要同時控制多個外設時，不需要級聯，一致性會比較好。

圖17 ：CYCLONE IV E的某塊FPGA的IO供電bank

在FPGA中，內部邏輯運行是一種電壓。輸入輸出被分為了好多個塊（bank），每一個塊都可以有自己的電平標準，這就讓FPGA可以在不用轉換電路的情況下，驅動多個不同電壓標準的接口。

在圖17中可以看到FPGA的內部邏輯電壓相對較低，所以FPGA的功耗也相對較低。

通過上述的三種結構，一個簡單的FPGA芯片就可以實現了。

在FPGA應用時，我們發現經常用到一些緩存和特殊電路，并且對這些電路的要求比較高，用FPGA實現不太現實。那么FPGA就會將其集成到FPGA內部，用大量的互聯資源引出接口，供給內部邏輯進行控制或者通信。

設計者可以利用FPGA的資源實現CPU的功能，構成SOPC。

現在的很多FPGA將ARM的硬核放入到自己內部，構成SOC。

本文只是簡單介紹FPGA內部結構，后續在設計時，需要詳細了解結構時，會單獨列出來詳細講解。有興趣的同學可以自己查詢FPGA的介紹文檔。

FPGA是一種芯片，有很多的廠商都在生產和銷售，下面簡要介紹幾個廠家以及他們的芯片。

Intel FPGA

Altera公司(阿爾特拉)自二十年前發明世界上第一個可編程邏輯器件開始，秉承了創新的傳統，是世界上“可編程芯片系統”（SOPC）解決方案倡導者。Altera結合帶有軟件工具的可編程邏輯技術、知識產權（IP）和技術服務，在世界范圍內為14,000多個客戶提供高質量的可編程解決方案。我們新產品系列將可編程邏輯的內在優勢——靈活性、產品及時面市——和更高級性能以及集成化結合在一起，專為滿足當今大范圍的系統需求而開發設計。

在2015年12月Intel斥資167億美元收購Altera公司。至此，我們將Altera FPGA更名為Intel FPGA。

Intel FPGA的主流FPGA分為兩大類，一種側重低成本應用，容量中等，性能可以滿足一般的邏輯設計要求，如Cyclone系列；還有一種側重于高性能應用，容量大，性能能滿足各類高端應用，如Startix、Arria系列等，用戶可以根據自己實際應用要求進行選擇。在性能可以滿足的情況下，優先選擇低成本器件。

Xilinx FPGA

Xilinx(賽靈思)是全球領先的可編程邏輯完整解決方案的供應商。Xilinx研發、制造并銷售范圍廣泛的高級集成電路、軟件設計工具以及作為預定義系統級功能的IP(Intellectual Property)核。客戶使用Xilinx及其合作伙伴的自動化軟件工具和IP核對器件進行編程，從而完成特定的邏輯操作。

Xilinx的主流FPGA分為兩大類，一種側重低成本應用，容量中等，性能可以滿足一般的邏輯設計要求，如Spartan系列;還有一種側重于高性能應用，容量大，性能能滿足各類高端應用，如Virtex系列，用戶可以根據自己實際應用要求進行選擇。在性能可以滿足的情況下，優先選擇低成本器件。

繼Xilinx正式向外界發布其推出全球首顆28nm制程的Kintex-7后，該公司推出7系列四款芯片Artix-7、Kintex-7、Virtex-7和Zynq的FPGA芯片,以及圍繞7系列的開發資源。

Actel FPGA

ACTEL公司成立于1985年，位于美國紐約。之前的20多年里，ACTEL一直效力于美國軍工和航空領域，并禁止對外出售。國內一些特殊領域的企業都是采用其它途徑購買軍工級型號。目前ACTEL開始逐漸轉向民用和商用，除了反熔絲系列外，還推出可重復擦除的ProASIC3系列(針對汽車、工業控制、軍事航空行業)。

Lattice FPGA

萊迪思(Lattice)半導體公司提供業界最廣范圍的現場可編程門陣列(FPGA)、可編程邏輯器件(PLD)及其相關軟件，包括現場可編程系統芯片(FPSC)、復雜的可編程邏輯器件(CPLD),可編程混合信號產品(ispPAC)和可編程數字互連器件(ispGDX)。

國產FPGA

京微齊力、西安智多晶微電子、紫光國微、高云等等，他們都擁有自己的FPGA系列芯片。

FPGA的廠商有很多，但是基本的內部結構和開發流程是比較接近了，只要掌握一種FPGA的開發方式，其他的FPGA開發就會容易上手很多。

目前學習FPGA設計，使用INTEL FPGA和Xilinx FPGA的居多，這兩家的FPGA芯片也是應用最多的。

系統設計師可以根據需要通過可編輯的連接把FPGA內部的邏輯塊連接起來，就好像一個電路試驗板被放在了一個芯片里。一個出廠后的成品FPGA的邏輯塊和連接可以按照設計者而改變，所以FPGA可以完成所需要的邏輯功能。

FPGA的特點有以下幾點：

采用FPGA設計ASIC電路(專用集成電路)，用戶不需要投片生產，就能得到合用的芯片。

FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。

FPGA內部有豐富的觸發器和I/O引腳。

FPGA是ASIC電路中設計周期最短、開發費用最低、風險最小的器件之一。