5000字！FPGA开发必须知道的五件事（上）

苏格不拉底

5000字！FPGA开发必须知道的五件事

FPGA（Field Programmable Gate Array 现场可编程门阵列）是一种可以重构电路的芯片，是一种硬件可重构的体系结构。它是在PAL（可编程阵列逻辑）、GAL（通用阵列逻辑）等可编程器件的基础上进一步发展的产物，是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

鉴于其可编辑，更灵活；产品上市时间短，节省了ASIC流片周期；避免一次性工程费用，用量较小时具有成本优势等特点，FPGA现已广泛应用于原型验证、通信、汽车电子、工业控制、航空航天、数据中心等领域。

一、FPGA的技术发展历程

FPGA技术从发明到现在已经经历了三十多年的发展历程，其核心价值是可编程性和灵活性。随着工艺技术、系统设计和应用创新的不断进步，FPGA技术也在不断创新和集成，实现了从逻辑器件到系统平台的转变。

根据智慧芽研发情报库生成的技术路线图可见，在近十多年间，随着5G、人工智能、云计算等新技术的快速发展和广泛应用，对于FPGA等可编程逻辑器件的需求也越来越大，代表性技术详见下图：

为了解决系统设计问题，FPGA越来越多地整合系统模块：高速收发器、存储器、DSP处理单元和完整处理器。同时还进一步集成了重要控制功能：比特流加密与验证、混合信号处理、电源与温度监控以及电源管理等。这些特性在Xilinx的Zynq系列和Intel的Arria系列中得到了充分体现。同时，器件也推动了工具的发展。系统FPGA需要高效的系统编程语言，现可利用OpenCL和C语言以类似软件的流程来编程。FPGA正在越来越多地取代传统上ASIC，在小批量、个性化的产品市场方面具有明显优势。

二、FPGA的基本架构

自Xilinx公司于1984年发明了世界首款基于SRAM可编程技术的FPGA至今，FPGA的基本架构已经确定，主要包括以下几个部分：

可编程输入输出单元（IOB）：IOB是FPGA与外部设备进行信号交互的接口，可以支持多种电气标准和协议，如LVCMOS、LVDS、PCIe等。IOB可以配置为输入、输出或双向模式，可以实现信号缓冲、锁存、延迟等功能。

可配置逻辑块（CLB）：CLB是FPGA实现逻辑功能的基本单元，每个CLB由两个SLICE组成，每个SLICE包含4个LUT（查找表）、8个寄存器、3个MUX（多路选择器）和一个CARRY4（进位链）。LUT可以实现任意6输入1输出的布尔函数，也可以用作分布式RAM或移位寄存器。寄存器可以实现数据锁存和同步功能。MUX可以将LUT扩展为7输入或8输入的选择器。CARRY4可以实现高速的加法、减法、比较等算术运算。

嵌入式块RAM（BRAM）：BRAM是FPGA内部提供的大容量存储资源，可以用作数据缓存、队列、FIFO等应用。BRAM有18K和36K两种规格，可以配置为不同的位宽和深度，支持单口或双口模式，也可以级联成更大的存储空间。

布线资源：布线资源是FPGA内部连接各种资源的网络，包括水平布线、垂直布线、长线、超长线等不同类型和长度的布线。布线资源通过开关矩阵（switch matrix）进行连接和分配，开关矩阵由可编程的开关组成，可以实现灵活的布线方案。

底层内嵌功能单元：底层内嵌功能单元是FPGA内部提供的一些特殊功能模块，如数字时钟管理（DCM）、相位锁定环（PLL）、延迟锁定环（DLL）、全局时钟网络（GCLK）、全局置位网络（GRST）等。这些功能单元可以实现时钟生成、分频、相位调整、延迟补偿、时钟分配、复位分配等功能，提高了FPGA的性能和稳定性。

内嵌专用硬核：内嵌专用硬核是FPGA内部集成的一些专用功能模块，如乘法器、除法器、DSP（数字信号处理器）、微处理器、PCIe控制器、以太网控制器等。这些硬核可以提供高效的计算和通信能力，降低了FPGA的逻辑资源消耗和功耗。

三、FPGA开发流程

FPGA的开发流程是利用EDA（Electronic Design Automation）开发软件和编程工具对FPGA芯片进行开发的过程，主要步骤如下：

1）功能定义/器件选型：这个步骤主要进行方案验证、系统设计和FPGA芯片选型等准备工作。根据任务要求，评估系统的指标和复杂度，对工作速度和芯片本身的资源、成本等方面进行权衡，选择合理的设计方案和合适的器件类型。这个阶段往往会花费大量的时间，这个阶段之后一般已经完成了系统建模，功能划分，模块划分以及设计文档的撰写等工作。

2）设计输入：这个步骤是将划分好的各功能模块用硬件描述语言（HDL）表达出来，常用的硬件描述语言有Verilog HDL和VHDL。以后的教程中我们主要讲解如何使用Verilog HDL进行FPGA设计。设计输入方式有三种形式：IP核、原理图、HDL。IP核是实现一定功能的模块，可以形成一个项目。原理图是一种最直接的描述方式，在可编程芯片发展的早期应用比较广泛，它将所需的器件从元件库中调出来，画出原理图。HDL是利用文本描述设计，可以分为普通HDL和行为HDL。普通HDL有ABEL、CUR等 ，支持逻辑方程、真值表和状态机等表达方式， 主要用于简单的小型设计 。而在中大型工程中，主要使用行为HDL，其主流语言是Verilog HDL和VHDL 。这两种语言都是美国电气与电子工程师协会 (IEEE)的标准，其共同的突出特点有：语言与芯片工艺无关，利于自顶向下设计，便于模块的划分与移植，可移植性好，具有很强的逻辑描述和仿真功能，而且输入效率很高。

3）功能仿真：这个步骤是在编译之前对用户所设计的电路进行逻辑功能验证，此时的仿真没有延迟信息，仅对初步的功能进行检测。仿真前，要先利用波形编辑器和HDL等建立波形文件和测试向量 (即将所关心的输入信号组合成序列)，仿真结果将会生成报告文件和输出信号波形，从中便可以观察各个节点信号的变化。如果发现错误，则返回设计修改逻辑设计。

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