1,、FPGA——現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列

　　FPGA（Field Programmable Gate Array）,，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列,，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,。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/O，高速I/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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