第1章　初识FPGA

1.1　FPGA是什么

1.1.1　名词解释

FPGA是一种以数字电路为主的集成芯片，于1985年由Xilinx创始人之一Ross Freeman发明，属于可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）的一种。这个时间比著名的摩尔定律出现的时间晚20年左右，但是FPGA一经发明，后续的发展速度之快，超出大多数人的想象。图1-1中给出了FPGA芯片的实物图。

1.1.2　FPGA发展历程

在PLD未发明之前，工程师使用包含若干个逻辑门的离散逻辑芯片进行电路系统的搭建，复杂的逻辑功能实现起来较为困难。

为了解决这一问题，20世纪70年代，可编程逻辑阵列（Programmable Logic Array，PLA）问世，PLA中包含了一些固定数量的与门、非门，分别组成了“与平面”和“或平面”，即“与连接矩阵”和“或连接矩阵”，以及仅可编程一次的连接矩阵（因为此处编程是基于熔丝工艺的），因此可以实现一些相对复杂的与、或多项表达式的逻辑功能，PLA内部结构如图1-2所示。

与PLA同时问世的还有可编程只读存储器（Programmable Read-Only Memory，PROM），其内部结构如图1-3所示。与PLA相同，PROM内部包含“与连接矩阵”和“或连接矩阵”，但是与门的连接矩阵是硬件固定的，只有或门的连接矩阵可编程。

若只有与门的连接矩阵可编程，而或门的连接矩阵是硬件固定的，那么这种芯片叫作可编程阵列逻辑器件（Programmable Array Logic，PAL），根据输出电路工作模式的不同，PAL可分为三态输出、寄存器输出、互补输出，但PAL仍使用熔丝工艺，只可编程一次。PAL的结构图如图1-4所示。

在PAL的基础上，又发展出了通用阵列逻辑器件（Generic Array Logic，GAL），相比于PAL，GAL有两点改进：一是采用了电可擦除的CMOS工艺，可多次编译，增强了器件的可重配置性和灵活性；二是采用了可编程的输出逻辑宏单元（Output Logic Macro Cell，OLMC），通过编程OLMC可将GAL的输出设置成不同状态，仅用一个型号的GAL就可以实现所有PAL器件输出电路的工作模式，增强了器件的通用性。GAL的结构图如图1-5所示。

早期的PLD主要由上述四种类型的芯片组成，即PROM、PLA、PAL和GAL。它们的共同特点是可以实现速度特性较好的逻辑功能，但由于其结构过于简单，所以只能实现规模较小的数字电路。

随着科技的发展、社会的进步，人们对芯片的集成度要求越来越高。早期的PLD产品不能满足人们的需求，复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）诞生。可以把CPLD看作PLA器件结构的延续，一个CPLD器件也可以看作若干个PLA和一个可编程连接矩阵的集合。CPLD的内部结构图如图1-6所示。

FPGA比CPLD早几年问世，与CPLD并称为高密度可编程逻辑器件，但它们有着本质的区别。FPGA芯片的内部架构并没有沿用类似PLA的结构，而是采用了逻辑单元阵列（Logic Cell Array，LCA）这样一个概念，改变了以往PLD器件大量使用与门、非门的思想，主要使用查找表和寄存器。

除此之外，FPGA和CPLD在资源类型、速度等方面也存在差异，如图1-7所示。

FPGA的类型从内部实现机理来讲，可以分为基于SRAM技术、基于反熔丝技术、基于EEPROM/Flash技术。就电路结构来讲，FPGA可编程是指三个方面的可编程：可编程逻辑块、可编程I/O、可编程布线资源。可编程逻辑块是FPGA可编程的核心，我们上面提到的三种技术也是针对可编程逻辑块的技术。这三方面的可编程资源在后面的章节中会穿插讲解，在这里就不专门叙述了。FPGA的结构图如图1-8所示。