FPGA基础知识简介
fpga基础知识简介
fpga技术的发展历史
纵观数字集成电路的发展历史，经历了从电子管、晶体管、小规模集成电路到大规模以及超大规模集成电路等不同的阶段。发展到现在，主要有3类电子器件：存储器、处理器和逻辑器件。
存储器保存随机信息（电子数据表或数据库的内容）；处理器执行软件指令，以便完成各种任务（运行数据处理程序或视频游戏）；而逻辑器件可以提供特殊功能（器件之间的通信和系统必须执行的其他所有功能）。
逻辑器件分成两类：
① 固定的或定制的。
② 可编程的或可变的。
其中，固定的或定制的逻辑器件通常称为专用芯片（asic）。asic是为了满足特定的用途而设计的芯片，例如mp3解码芯片等。其优点是通过固化的逻辑功能和大规模的工业化生产，降低了芯片的成本，同时提高了产品的可靠性。随着集成度的提高，asic的物理尺寸也在不断的缩小。
但是，asic设计的周期很长，而且投资大，风险高。一旦设计结束后，功能就固化了，以后的升级改版困难比较大。电子产品的市场正在逐渐细分，为了满足快速产品开发，产生了现场可编程逻辑器件（fpga）。
自1984年xilinx公司推出了第一片现场可编程逻辑器件（fpga）至今，fpga已经历了20几年的快速发展历程。特别是近几年来，更是发展迅速。fpga的逻辑规模已经从最初的1000个可用门发展到现在的1000万个可用门。
fpga技术之所以具有巨大的市场吸引力，其根本原因在于：fpga不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、投入少，芯片价格不断下降。fpga正在越来越多地取代传统上asic，特别是在小批量、个性化的产品市场方面。
fpga技术的发展动向
随着芯片设计工艺水平的不断提高，fpga技术呈现出了以下4个主要的发展动向。
1．基于fpga的嵌入式系统（sopc）技术正在成熟
system on chip（soc）技术在芯片设计领域被越来越广泛地采用，而sopc技术是soc技术在可编程器件领域的应用。这种技术的核心是在fpga芯片内部构建处理器。xilinx公司主要提供基于power pc的硬核解决方案，而altera提供的是基于niosii的软核解决方案。
altera公司为niosii软核处理器提供了完整的软硬件解决方案，可以让客户短时间完成sopc系统的构建和调试工作。
2．fpga芯片向高性能、高密度、低压和低功耗的方向发展
随着芯片生产工艺不断提高，fpga芯片的性能和密度都在不断提高。早期的fpga主要是完成接口逻辑设计，比如ad/da和dsp的粘合逻辑。现在的fpga正在成为电路的核心部件，完成关键功能。
在高性能计算和高吞吐量i/o应用方面，fpga已经取代了专用的dsp芯片，成为最佳的实现方案。因此，高性能和高密度也成为衡量fpga芯片厂家设计能力的重要指标。
随着fpga性能和密度的提高，功耗也逐渐成为了fpga应用的瓶颈。虽然fpga比dsp等处理器的功耗低，但是要明显高于专用芯片（asic）的功耗。fpga的厂家也在采用各种新工艺和技术来降低fpga的功耗，并且已经取得了明显的效果。
例如，altera公司的stratixiii系列fpga的功耗比上一代产品stratixii系列降低了50%以上。
3．基于ip库的设计方法
未来的fpga芯片密度不断提高，传统的基于hdl的代码设计方法很难满足超大规模fpga的设计需要。随着专业的ip库设计公司不断增多，商业化的ip库种类会越来越全面，支持的fpga器件也会越来广泛。
作为fpga的设计者，主要的工作是找到适合项目需要的ip库资源，然后将这些ip整合起来，完成顶层模块设计。由于商业的ip库都是通过验证的，因此整个项目的仿真和验证工作主要就是验证ip库的接口逻辑设计的正确性。
目前，由于国内的知识产权保护的相关法律法规还不尽完善，基于ip库的设计方法还没有得到广泛应用。但是随着fpga密度不断提高和ip库的价格逐渐趋于合理化，这种设计方法将会成为主流的fpga设计技术。
4．fpga的动态可重构技术
fpga动态重构技术主要是指对于特定结构的fpga芯片，在一定的控制逻辑的驱动下，对芯片的全部或部分逻辑资源实现高速的功能变换，从而实现硬件的时分复用，节省逻辑资源。
由于密度不断提高，fpga能实现的功能也越来越复杂。fpga全部逻辑配置一次的需要的时间也变长了，降低了系统的实时性。局部逻辑的配置功能可以实现“按需动态重构”，大大提高了配置的效率。
动态可重构的fpga可以在系统运行中对电路功能进行动态配置，实现硬件的时分复用，节省了资源，主要适用于以下两个系统设计。
① 最新通信系统。
fpga的动态重构特性可以适应不同体制和不同标准的通信要求，满足软件无线电技术的发展和第三代（3g）和第四代（4g）移动通信系统的需要。
② 重构计算机：fpga具有并行处理能力和动态配置能力，可自动改变硬件来适应正在运行的程序，产生了基于这种软硬件环境的全新概念的计算机。
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存储器保存随机信息（电子数据表或数据库的内容）；处理器执行软件指令，以便完成各种任务（运行数据处理程序或视频游戏）；而逻辑器件可以提供特殊功能（器件之间的通信和系统必须执行的其他所有功能）。
逻辑器件分成两类：
① 固定的或定制的。
② 可编程的或可变的。
其中，固定的或定制的逻辑器件通常称为专用芯片（asic）。asic是为了满足特定的用途而设计的芯片，例如mp3解码芯片等。其优点是通过固化的逻辑功能和大规模的工业化生产，降低了芯片的成本，同时提高了产品的可靠性。随着集成度的提高，asic的物理尺寸也在不断的缩小。
但是，asic设计的周期很长，而且投资大，风险高。一旦设计结束后，功能就固化了，以后的升级改版困难比较大。电子产品的市场正在逐渐细分，为了满足快速产品开发，产生了现场可编程逻辑器件（fpga）。
自1984年xilinx公司推出了第一片现场可编程逻辑器件（fpga）至今，fpga已经历了20几年的快速发展历程。特别是近几年来，更是发展迅速。fpga的逻辑规模已经从最初的1000个可用门发展到现在的1000万个可用门。
fpga技术之所以具有巨大的市场吸引力，其根本原因在于：fpga不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、投入少，芯片价格不断下降。fpga正在越来越多地取代传统上asic，特别是在小批量、个性化的产品市场方面。
fpga技术的发展动向
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1．基于fpga的嵌入式系统（sopc）技术正在成熟
system on chip（soc）技术在芯片设计领域被越来越广泛地采用，而sopc技术是soc技术在可编程器件领域的应用。这种技术的核心是在fpga芯片内部构建处理器。xilinx公司主要提供基于power pc的硬核解决方案，而altera提供的是基于niosii的软核解决方案。
altera公司为niosii软核处理器提供了完整的软硬件解决方案，可以让客户短时间完成sopc系统的构建和调试工作。
2．fpga芯片向高性能、高密度、低压和低功耗的方向发展
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随着fpga性能和密度的提高，功耗也逐渐成为了fpga应用的瓶颈。虽然fpga比dsp等处理器的功耗低，但是要明显高于专用芯片（asic）的功耗。fpga的厂家也在采用各种新工艺和技术来降低fpga的功耗，并且已经取得了明显的效果。
例如，altera公司的stratixiii系列fpga的功耗比上一代产品stratixii系列降低了50%以上。
3．基于ip库的设计方法
未来的fpga芯片密度不断提高，传统的基于hdl的代码设计方法很难满足超大规模fpga的设计需要。随着专业的ip库设计公司不断增多，商业化的ip库种类会越来越全面，支持的fpga器件也会越来广泛。
作为fpga的设计者，主要的工作是找到适合项目需要的ip库资源，然后将这些ip整合起来，完成顶层模块设计。由于商业的ip库都是通过验证的，因此整个项目的仿真和验证工作主要就是验证ip库的接口逻辑设计的正确性。
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