关于FPGA的介绍？

FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。作为专用集成电路(ASIC)领域的半定制电路，它不仅解决了定制电路的缺点，而且克服了原有可编程器件门数有限的缺点。它是数字系统设计的主要硬件平台，其主要特点是完全由用户通过软件进行配置和编程，从而完成一个特定的功能，并且可以重复擦除。修改升级时，不需要更换PCB电路板，只需要在电脑上修改更新程序，使硬件设计工作变成了软件开发工作，缩短了系统设计周期，提高了实现的灵活性，降低了成本，因此赢得了广大硬件工程师的青睐。

1984年，在硅谷工作的伯尼·冯德施米特(Bernie Vonderschmitt)、罗斯·弗里曼(Ross Freeman)和吉姆·巴尼特(Jim Barnett)产生了一个想法，他们梦想成立一家不同于普通公司的公司。他们希望创建一家公司来开发和引进整个新领域的先进技术。此外，他们还希望以这种方式领导它:在这里工作的人热爱他们的工作，享受他们的工作，并对他们所做的事情着迷。

创造性地引入了“无晶片半导体”公司的概念。2009年2月18日，Ross Freeman因其发明现场可编程门阵列(FPGA)荣登2009年美国发明家名人堂。弗里曼先生的发明是一种完全由“开门”组成的计算机芯片，专利号为4870302。使用这种芯片，工程师可以根据需要进行编程，添加新的功能，满足开发标准或规范的要求，并在设计的最后阶段进行修改。

熟悉PROM、EPROM、E2PROM的人都知道，这些可编程器件的编程原理是通过施加高压或紫外线，改变三极管或MOS管内部的载流子密度，从而实现所谓的可编程性，但这些器件只能编程一次或编程状态难以稳定。另一方面，FPGA采用了逻辑单元阵列(LCA)的新概念，包括

配置逻辑模块CLB(可配置逻辑块)、输出输入模块IOB(输入输出块)和互连。

FPGA的可编程性实际上改变了CLB和IOB的触发器状态，从而可以实现重复编程。由于FPGA需要重复烧写，组合逻辑的基本结构不是asic那样的固定与非门可以完成的，只能是一种易于重复配置的结构。查找表可以很好地满足这一要求。目前主流FPGA采用基于SRAM技术的查找表结构，部分军用和航天FPGA采用Flash或fuse的查找表结构和反熔丝技术。通过烧写文件改变查找表的内容来实现FPGA的重复配置。

根据数字电路的基础知识，我们可以知道，一个n输入的逻辑运算，无论是与非运算还是异或运算，都只有2n种结果。因此，如果预先将相应的结果存储在一个存储单元中，就相当于实现了与非门电路的功能。FPGA的原理也是如此，通过烧文件来配置查找表的内容，从而在相同的电路情况下实现不同的逻辑功能。

查找表简称为LUT，LUT实质上是一个随机存取存储器。目前FPGA中多采用4输入LUT，所以每个LUT都可以看作是一个有4位地址线的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述一个逻辑电路时，PLD/FPGA开发软件会自动计算出该逻辑电路的所有可能结果，并将真值表(即结果)预先写入ram，这样，

每输入一个信号进行逻辑运算，就相当于输入一个地址查表，找出地址对应的内容，然后输出。

从表中可以看出，LUT与逻辑电路具有相同的功能。事实上，LUT的执行速度更快，规模更大。由于基于LUT的FPGA集成度高，器件密度从几万到几千万门不等，可以完成极其复杂的时序和逻辑组合逻辑电路功能，因此适用于高速、高密度的高端数字逻辑电路设计。其组件主要是可编辑的。

I/O单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式SRAM、丰富的布线资源、底层嵌入式功能单元、嵌入式专用单元等。主要设计和厂商有Xilinx、Altera、Lattice、Actel、Atmel和QuickLogic，其中最大的是美国的Xilinx。

Si公司在可编程市场上占有50%以上的市场份额，这一份额超过了所有其他竞争对手的市场份额之和。

FPGA的工作状态是由片内ram中存储的程序设置的，所以工作时需要对片内RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式采用不同的编程方法。上电时，FPGA芯片将EPROM中的数据读入片内编程RAM，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复为空白，内部逻辑关系消失，FPGA可以重复使用。FPGA的编程不需要专门的FPGA编程器，只需使用一个通用的EPROM和PROM编程器即可。这样，同样的FPGA，不同的编程数据可以产生不同的电路功能。

因此，FPGA的使用非常灵活。如上所述，FPGA的工作状态是由存储在芯片中的ram设定的，所以工作时需要对片内RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式采用不同的编程方法。Xilinx FPGA有五种常见的配置模式:主串模式、从串模式、电子地图模式、桌面配置和直接SPI配置。

目前FPGA市场占有率最高的两家公司Xilinx公司和Altera公司生产的FPGA都是基于SRAM技术的，使用时需要连接一个片外存储器来保存程序。上电时，FPGA将外部存储器中的数据读入片内RAM，经过配置后进入工作状态。电源故障后，FPGA恢复空白，内部逻辑消失。这样一来，FPGA不仅可以重复使用，还需要一个专门的FPGA编程器，只需要一个通用的EPROM和PROM编程器即可。Actel、QuickLogic等公司也提供反熔丝技术FPGA，具有抗辐射、耐高低温、低功耗、高速等优点，广泛应用于军工产品和航空航天领域。但是这种FPGA不能重复擦除，初期开发麻烦且昂贵。Lattice是ISP技术的发明者，在小规模PLD应用上有一定的特色。早期的Xilinx产品一般不涉及军事和航天市场，但目前已经有很多产品进入这个领域。

FPGA芯片结构目前主流的FPGA还是基于查表技术，已经远远超过了上一版本的基本性能，集成了具有常用功能(如RAM、时钟管理、DSP)的硬核(asic型)模块。其实每个系列的FPGA都有自己的内部结构。FPGA芯片主要由六部分组成，分别是:可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、嵌入式底层功能单元和嵌入式专用硬件模块。