简单认识现场可编程门阵列

现场可编程门阵列 (Field Programmable Gate Array, FPGA)也称为现场可编程器件，是在 PROM ( Programmable Read Only Memory )、PLD ( Programmable Logic Device)、 PLA ( Programmable Logic Array)、 GAL (Gate Array Logic)、CPLD ( Complex Programmable Logic Device）等可编程器件的基础上，发展成的一种半定制化集成电路芯片，它具有硬件可编程的特点。

1985年 Xilinx 公司推出全球第一款 FPGA 产品 XC2064， 使用了 2μm 制造工艺，包含64个逻辑块（合1200个逻辑门）。 2003 年 Xilinx 公司推出了 90nm制造工艺的 Spartan-3 系列产品，随后又推出了 65nm 制造工艺的 Virtex-5 系列产品和 45nm 制造工艺的 virtex-6系列产品。2011年  Xilinx 公司和 Altera 公司相继推出了 28nm制造工艺的 FPGA 产品，这些产品具有高效的逻辑集成功能和更低功耗。2016年 Xilinx公司和 Altera 公司推出了 16nm 制造工艺的 FPGA 产品。

FPGA主要由可编程输入/输出单元(I/O Blocks）、可编程逻辑块（Configurable Logic Block, CLB，简称逻辑单元）、嵌入式 RAM、可编程布线、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核六大部分组成。可编程逻辑块是 FPGA 的基本逻辑单元，它由触发器（Trigger）和查找表 （Look-Up Table, LUT)两部分组成。

FPGA 芯片包含数以百万计的逻辑单元，配置它们实现特定的逻辑功能十分复杂，需要使用专用 EDA 开发工具编译出对应的配置文件或二进制码流。主流的 FPGA 厂商的 EDA 开发工具主要有 Altera（2015 年被Intel 并购）的 Quartus Ⅱ、Xilinx 的ISE 和 Vivado、Lattice 的 ispLEVER、 Atmel (2016 年被 Microchip 并购）的pASSP 和 Actel （2010年被 Microsemi 并购）的Libero。

FPGA 设计方法的发展可划分为三个时代，即硬件描述时代、嵌入式软核时代和异构系统时代。

硬件描述时代是 FPGA设计的第一个时代。设计人员根据待设计的电路功能使用硬件描述语言 ( Hardware Description Language, HDL）完成开发。由于模块化数字电路可被封装为 IP （Intellectual Property）核的形式，使用 IP 核完成FPGA 的最终设计，可大大提高效率。

嵌入式软核时代是 FPGA 设计的第二个时代。它以 Altera 公司的微处理器软核 Nios Ⅱ和 Xilinx公司的微处理器软核Microblaze 为代表。设计人员利用 FPGA内部的逻辑资源搭建微处理器软核，再将 I/0 接口等IP软核连接至微处理器软核总线，从而构成可编程系统芯片 (Programmable System on Chip，PSoC)。设计人员可使用C、C++等高级语言控制可编程片上系统工作，实现软硬件协同设计。‍‍‍‍‍

在功耗、性能和开发周期等因素的驱动下，FPGA 设计进入了异构系统时代。以CPU 为核心的哈佛结构（或冯氏结构）和可编程逻辑电路同时存在于FPGA中，使异构系统更具综合优势。例如，Altera 的 Cyclone V 系列和 Xilinx 的Zynq系列均包含ARM 硬核。同时，随着高层次综合 ( High -Level Synthesis，HLS)的推出，FPGA 的 EDA 工具得到进一步的发展，可直接使用C、C++等语言对 FPGA 进行硬件编程，更大程度地提高了 FPGA 的设计效率。

2010 年后，神经网络技术在人工智能领域得到了广泛的应用。FPGA 因具有高度并行、高吞吐量、低功耗和可重构等特点而备受关注，成为在实现深度学习算法的系统中提高性能功耗比的重要器件。

　　审核编辑：汤梓红