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清远见 嵌入式培训专家： 1 章 基础知识 本章介绍FPGA 的基础知识，包括FPGA 的结构、特点以及FPGA 的发展趋势。 通过本章的介绍，读者可以对FPGA 有初步的了解。 清远见 嵌入式培训专家： 《FPGA 应用开发实战技巧精粹》——第 1 章、基础知识 1.1 FPGA 简介 FPGA （Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是1984 年由Xilinx 公司发明的，它是一类半定制的通用器件，用户可以通过对FPGA 器件编程实现所需 的逻辑功能。简而言之，FPGA 就是可以再编程的芯片。通过改变芯片内部的逻辑电 路和布线资源，不需要修改电路板即可更改硬件电路功能。 相对于CPLD （Complex Programmable Logic Device ，复杂可编程逻辑器件）而 言，FPGA 中的寄存器资源比较丰富，更适合同步时序电路较多的数字系统。在这 两类可编程逻辑器件中，CPLD 提供的逻辑资源较少，而FPGA 提供了最高的逻辑 密度、最丰富的特性和极高的性能。FPGA 已经在通信、消费电子、医疗、工业和 军事等各应用领域中占据了重要地位。 相对于ASIC （Application Sepcific Intergrated Gircuits，专用集成电路）而言，FPGA 是半定制的通用器件。如果需要改变电路功能，不需要花费重新设计ASIC 的时间。 使用FPGA 设计电路有以下几个优点。 电路执行速度快。FPGA 内部是通过对电路编程生成逻辑电路来实现功能的， 这点与处 器编程是不相同的。处 器是串行执行的，但是FPGA 通过电路实现功能， 是并行执行，因此FPGA 的运行速度大大高于通用处 器或者DSP。 上市时间短。由于FPGA 的在线可编程特性，设计者不用进行ASIC 设计的冗 长构建过程；而且由于设计软件性能不断提高，设计者可以在更高的抽象层级进行设 计；不同的FPGA 生产厂商还提供了大量的IP Core ，这些都使FPGA 设计更快、更 方便。 成本低廉。随着电子技术的发展，基于电子技术的各种应用也在改变。使用 FPGA 可以在不修改电路板的前提下修改电路实现，而且FPGA 相对ASIC 的重新开 发的费用非常低廉，所以使用FPGA 进行设计的成本相对较低。 可靠性高。FPGA 都是经过专门验证的半定制通用器件，因而具有较高的可靠 性。 易于维护升级。FPGA 芯片具有即时升级 （Field-Upgradable ）特性，而且可以 通过在FPGA 配置芯片中存储多个配置文件实现多种电路功能，还可以通过网络进行 远程配置。这些特性使得FPGA 易于维护和升级。 1.2 FPGA 基本结构 清远见 嵌入式培训专家： 《FPGA 应用开发实战技巧精粹》——第1 章、基础知识 1.2.1 FPGA 的基本结构 通常 FPGA 包含几种主要资源：逻辑块、输入/输出块、布线资源、存储单元、 时钟管 模块以及专用硬件资源。 逻辑块中一般包含查找表LUT 和寄存器。LUT 本质上就是一个RAM ，目前 FPGA 中多使用四输入的LUT ，所以每一个LUT 可以看成一个有4 位地址线的16 × 1 的RAM 。当用户设计一个逻辑电路以后，PLD/FPGA 开发软件会自动计算逻辑电路 的所有可能的结果，并把结果事先写入 RAM 。每输入一组信号进行逻辑运算就等于 输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出。 输入/输出块可以兼容多种电平，并且包含专用 I/O 寄存器资源和专用的延迟 单元。 布线资源连 FPGA 内的逻辑块、输入/输出块、存储单元等硬件资源。 存储单元是专用资源，使用这些专用存储资源不会占用逻辑资源。 时钟管 模块提供高性能时钟控制，可用于锁定时钟、频率合成。