1、FPGA——現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列

　　FPGA（Field Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，是一種硬件可重構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)。它是在可編程陣列邏輯 PAL（Programmable Array Logic）、門(mén)陣列邏輯 GAL（Gate Array Logic）、可編程邏輯器件 PLD（Programmable Logic Device）等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了全定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門(mén)電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

　　FPGA運(yùn)用硬件描述語(yǔ)言（Verilog或VHDL）描述邏輯電路，可以利用邏輯綜合和布局、布線工具軟件，快速地?zé)浿罠PGA上進(jìn)行測(cè)試。人們可以根據(jù)需要，通過(guò)可編輯的連接，把FPGA內(nèi)部的邏輯塊連接起來(lái)，通過(guò)配置它的可編程架構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)任意需要的數(shù)字功能組合。FPGA由Xilinx，Alter等器件廠家提供，設(shè)計(jì)人員只需要根據(jù)需求選擇相應(yīng)的器件，然后設(shè)計(jì)邏輯電路，并下載到FPGA器件中去，實(shí)現(xiàn)需求的電路功能，隨時(shí)可以修改電路功能。

　　它是當(dāng)今數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要硬件平臺(tái)，其主要特點(diǎn)就是完全由用戶通過(guò)軟件進(jìn)行配置和編程，從而完成某種特定的功能，且可以反復(fù)擦寫(xiě)。在修改和升級(jí)時(shí)，不需額外地改變PCB 電路板，只是在計(jì)算機(jī)上修改和更新程序，使硬件設(shè)計(jì)工作成為軟件開(kāi)發(fā)工作，縮短了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的周期，提高了實(shí)現(xiàn)的靈活性并降低了成本。FPGA特別適合于樣品研制或小批量產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，使產(chǎn)品能以最快的速度上市，而當(dāng)市場(chǎng)擴(kuò)大時(shí)，它可以很容易的由ASIC實(shí)現(xiàn)，因此開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)也大為降低。

　　FPGA的特點(diǎn)：

　　1.加電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。理論上，F(xiàn)PGA允許無(wú)限次的編程。

　　2.FPGA的編程無(wú)須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。

　　3.FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I／O引腳。

　　4.快速成品，可以被修改來(lái)改正程序中的錯(cuò)誤和更便宜的造價(jià)。

　　5.用戶不需要介入芯片的布局布線和工藝問(wèn)題，而且可以隨時(shí)改變其邏輯功能，使用靈活。

　　6.FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB、輸出輸入模塊IOB和內(nèi)部連線三個(gè)部分?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）是可編程器件。FPGA利用小型查找表（16×1RAM）來(lái)實(shí)現(xiàn)組合邏輯，每個(gè)查找表連接到一個(gè)D觸發(fā)器的輸入端，觸發(fā)器再來(lái)驅(qū)動(dòng)其他邏輯電路或驅(qū)動(dòng)I/O，由此構(gòu)成了即可實(shí)現(xiàn)組合邏輯功能又可實(shí)現(xiàn)時(shí)序邏輯功能的基本邏輯單元模塊，這些模塊間利用金屬連線互相連接或連接到I/O模塊。FPGA的邏輯是通過(guò)向內(nèi)部靜態(tài)存儲(chǔ)單元加載編程數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器單元中的值決定了邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，并最終決定了FPGA所能實(shí)現(xiàn)的功能。

　　2、ASIC——專用集成電路

　　ASIC（Application Specific Integrated Circuits），即專用集成電路，是一種為專門(mén)目的而設(shè)計(jì)的集成電路。是指應(yīng)特定用戶要求和特定電子系統(tǒng)的需要而設(shè)計(jì)、制造的集成電路。ASIC的特點(diǎn)是面向特定用戶的需求，品種多、批量少，要求設(shè)計(jì)和生產(chǎn)周期短，它作為集成電路技術(shù)與特定用戶的整機(jī)或系統(tǒng)技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，與通用集成電路相比具有體積更小、重量更輕、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強(qiáng)、成本降低等優(yōu)點(diǎn)。

　　ASIC是定制的，具體分為全定制和半定制。全定制設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)最小面積，最佳布線布局、最優(yōu)功耗速度積，得到最好的電特性。特點(diǎn)：精工細(xì)作，設(shè)計(jì)要求高、周期長(zhǎng)，設(shè)計(jì)成本昂貴。半定制設(shè)計(jì)方法又分成基于標(biāo)準(zhǔn)單元的設(shè)計(jì)方法CBIC和基于門(mén)陣列的設(shè)計(jì)方法。半定制主要適合于開(kāi)發(fā)周期短，低開(kāi)發(fā)成本、投資、風(fēng)險(xiǎn)小的小批量數(shù)字電路設(shè)計(jì)。

　　ASIC的特點(diǎn)：

　　面向特定用戶的需求，ASIC在批量生產(chǎn)時(shí)與通用集成電路相比具有體積更小、功耗更低、可靠性提高、性能提高、保密性增強(qiáng)、成本降低等優(yōu)點(diǎn)。

　　ASIC需要較長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)周期，風(fēng)險(xiǎn)較大，一旦有問(wèn)題，成片全部作廢，所以小公司已經(jīng)玩不起了。

　　3、兩者的設(shè)計(jì)流程

　　完整的FPGA設(shè)計(jì)流程包括功能描述、電路設(shè)計(jì)與輸入、功能仿真、綜合優(yōu)化、綜合后仿真、實(shí)現(xiàn)與布局布線、時(shí)序仿真、板級(jí)仿真與驗(yàn)證、調(diào)試與加載配置。

　　ASIC的設(shè)計(jì)流程（數(shù)字芯片）包括：功能描述、模塊劃分、模塊編碼輸入、模塊級(jí)仿真驗(yàn)證、系統(tǒng)集成和系統(tǒng)仿真驗(yàn)證、綜合、STA（靜態(tài)時(shí)序分析）、形式驗(yàn)證。

　　在ASIC設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往要用到FPGA進(jìn)行原型驗(yàn)證。FPGA驗(yàn)證是進(jìn)行ASIC設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，其后，還需要引入ASIC版本源碼，插入IOPAD，DFT，功耗估計(jì)和進(jìn)行其它后端流程。完成FPGA驗(yàn)證可以說(shuō)就完成了ASIC整套流程的50～80%。

　　4、ASIC和FPGA之間的比較

　　目前用CPLD（復(fù)雜可編程邏輯器件）和FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列）來(lái)進(jìn)行ASIC設(shè)計(jì)是最為流行的方式之一，它們的共性是都具有用戶現(xiàn)場(chǎng)可編程特性，都支持邊界掃描技術(shù)，但兩者在集成度、速度以及編程方式上具有各自的特點(diǎn)。

　　用途：

　　FPGA主要用于要求快速迭代或者小批量產(chǎn)品，或者作為ASIC的算法驗(yàn)證加速。

　　ASIC用于設(shè)計(jì)規(guī)模大，復(fù)雜度比較高的芯片，或者是成熟度高，產(chǎn)量比較大的產(chǎn)品。

　　成本：

　　小批量需求時(shí)，單片F(xiàn)PGA成本低于ASIC，隨著產(chǎn)品量的增加，單片ASIC成本逐步降低。FPGA貴在單片，開(kāi)發(fā)工具和風(fēng)險(xiǎn)基本不存在。對(duì)于ASIC貴在流片的費(fèi)用和開(kāi)發(fā)工具，NRE費(fèi)用隨著工藝的提高變相當(dāng)貴，除非你的芯片一次成功可以量產(chǎn)，否則單片費(fèi)用將其貴無(wú)比！

　　功耗：

　　在相同工藝條件下，F(xiàn)PGA要大于ASIC。FPGA，尤其是基于占用大量硅面積的、每個(gè)單元六個(gè)晶體管的靜態(tài)存儲(chǔ)器（SRAM）的查尋表（LUT）和配置元件技術(shù)的FPGA，其功耗要比對(duì)等的ASIC大得多。

　　速度：

　　FPGA內(nèi)部是基于通用的結(jié)構(gòu)，根據(jù)RTL設(shè)計(jì)選擇內(nèi)部布局布線，F(xiàn)PGA結(jié)構(gòu)上的通用性必然導(dǎo)致冗余。

　　ASIC是根據(jù)設(shè)計(jì)需求，最優(yōu)化cell邏輯資源，沒(méi)有結(jié)構(gòu)上的限制，并且做到最優(yōu)布局走線，降低走線延遲和CELL延時(shí)。

　　相同的工藝和設(shè)計(jì)，在FPGA上的速度應(yīng)該比ASIC跑得慢。

　　面積：

　　定制化的電路設(shè)計(jì)和工藝使用ASIC面積小于FPGA。FPGA要規(guī)模大得多才能實(shí)現(xiàn)ASIC相同的功能，主頻還只有幾分之一。因此，F(xiàn)PGA相對(duì)于ASIC來(lái)說(shuō)還是大很多的。

　　其他方面：

　　ASIC用于大型項(xiàng)目，而對(duì)于需要快速投放市場(chǎng)且支持遠(yuǎn)程升級(jí)的小型項(xiàng)目，F(xiàn)PGA則更為適合。FPGA技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)仍是產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間較短。

　　在ASIC的優(yōu)勢(shì)方面，ASIC加電后可立即運(yùn)行，就單位邏輯大小而言封裝選擇更多，還可包括某些模擬邏輯。與此相對(duì)比，F(xiàn)PGA加載配置進(jìn)入存儲(chǔ)器需要時(shí)間，因此不能立即工作。此外，F(xiàn)PGA的封裝也較復(fù)雜。

　　除此之外，F(xiàn)PGA內(nèi)部還包括接口I/O，I/O分為普通I/O和高速I(mǎi)/O，高速I(mǎi)/O支持例如高速的SERDES，用于實(shí)現(xiàn)XAUI，PCIE等高速接口，這些接口動(dòng)輒幾Gbps到10Gbps以上。此外種類(lèi)多種多樣的硬核IP也是各FPGA廠商差異化競(jìng)爭(zhēng)利器，例如POWERPC、ARM等硬核IP。從而構(gòu)成CPU+FPGA于一體的集可編程性和可重構(gòu)的處理平臺(tái)。因此，相對(duì)來(lái)所，F(xiàn)PGA雖然發(fā)展有二三十年的歷史，其基本架構(gòu)一直不變不大。

　　兩者的定位：

　　FPGA和ASIC產(chǎn)品的使用要根據(jù)產(chǎn)品的定位和設(shè)計(jì)需要來(lái)選用，ASIC產(chǎn)品適用于設(shè)計(jì)規(guī)模特別大，如CPU、DSP或多層交換芯片等，或者是應(yīng)用于技術(shù)非常成熟且利潤(rùn)率非常低的產(chǎn)品，如家用電器和其它消費(fèi)類(lèi)電器，亦或是大量應(yīng)用的通用器件如RAM、PHY等。而FPGA產(chǎn)品適用于設(shè)計(jì)規(guī)模適中，產(chǎn)品要求快速占領(lǐng)市場(chǎng)，或產(chǎn)品需要靈活變動(dòng)的特性設(shè)計(jì)等方面的產(chǎn)品，如PDH、2.5G以下SDH設(shè)備和大部分的接口轉(zhuǎn)換芯片等。當(dāng)然具體使用那種產(chǎn)品來(lái)設(shè)計(jì)還要設(shè)計(jì)者充分考慮自己的產(chǎn)品定位來(lái)決定。

　　兩者互相融合：

　　最明顯的莫過(guò)于處理器中開(kāi)始集成FPGA，而可編程的ASIC也開(kāi)始興起。隨著SoC成為主流，兩者的邊界也就不辣么明顯了。

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電子技術(shù)應(yīng)用專欄作家 FPGA之旅

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