FPGA,FPGA工作原理是什么?

FPGA（現場可編程門陣列）是專用集成電路（ASIC）中集成度最高的一種，用戶可對FPGA內部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實現用戶的邏輯，因而也被用于對CPU的模擬。用戶對FPGA的編程數據放在Flash芯片中，通過上電加載到FPGA中，對其進行初始化。也可在線對其編程，實現系統在線重構，這一特性可以構建一個根據計算任務不同而實時定制的CPU，這是當今研究的熱門領域。

和其他可編程邏輯器件一樣，FPGA也由未完成的邏輯陣列所組成，通過將這些邏輯陣列連接到一起來完成一定的功能。像PAL一樣，各個陣列單元之間的互連續是可以編程的。下面介紹FPGA的發展過程。

1985年，Xilinx公司推出了世界上第一款FPGA。推出的這款FPGA包括兩個器件和支持市局布線的設計工具。FPGA的發展非常快，在不到10年的時間里，時鐘頻率就從不到10MHz提高到100MHz。設計規則已經達到亞微米級別，FPGA芯片的規模也從幾千門增加到2萬多等效門。大量功能強大易用的軟件工具也相繼推出，使得FPGA很快占領了電子設計領域很大的一塊市場。

20世紀80年代推出的FPGA可以說是Intel公司于1971年推出第一款商用微處理器的延續。那個時期，典型的微處理器系統包含微處理器、存儲器和一些特殊功能的中小規模(MSI/SSI)器件。為追求更佳的件能、更小的尺寸、更低的成本、更快的錯誤恢復能力、高可靠性以及更快更易使用的原型，集成電路的設計者都意識到一定會有一種器件要取代當時的中小規模電路。這個概念的第一個嘗試是Signetics公司于1975年推出的83S100 FPLA(現場可編程邏輯陣列)。這款可編程器件實際上是一款PLA結構的器件。它由16個輸人、48個乘積項與陣列、8個輸出、48個乘積項或陣列構成，通過Ni-Cr熔絲實現連續的斷開或連接。這種方法在以降低速度和增加功耗為代價的前提下，給了設計師們很大的電路設計空間。但是這款可編程器件需要人工來設置熔絲的斷或合，因此很復雜而且容易出錯。

鑒于當時各種可編程器件的速度、結構等都不能很好地滿足巾場的需求，Xilinx于1985年推出了2000系列的FPGA。該系列的FPGA是世界上第一款基于SRAM的可編程FPGA，包括兩個器件：第一個器件由8x8〔共64個)的可配置邏輯模塊(CLB Configurable Logic Block)構成，并在芯片的周邊提供了58個輸入輸出接口模塊(IOB，I/O Block)；第二個器件出10xl0的CLB構成，并提供了總共74個IOB單元。自Xilinx推出第一款FPGA之后，世界上的其他公司也相繼推出各自的FPGA品。如Actel推出很有特色的反熔絲(Anti-fused)FPGA。FPGA市場內的競爭也愈演愈烈，IC的制造商都意識到必須提供更加強大更易使用的新產品才能出有市場。在這種形勢下，Xilinx在1987年就推出了它的第二款3000系列的FPGA，距第一款FPGA的推出只有2年的時間。也就是在那時，AT＆T成功地獲得這款FPGA器件的設計使用權。并開始提供自己的芯片和開發系統，即AT＆T 3000系列FPGA。

自從第二代FPGA問世以來，各種FPGA的應用開始層出不窮，電路復雜度也相繼上升。這時，Xilinx就開始研制第三代FPGA產品，AT＆T也開始開發自己的下一代FPGA。Xilinx的第三代FPGA產品于1991年問世，而AT＆T的下一代產品育到1992年才研制成功。認識到FPGA市場潛在的廣闊空間，很多IC和軟件廠商也開始向FPGA領域進軍，包括一些著名的公司，如Actel、AMD、A1tera、Intel、Mento Graphics、Texas Instruments以及Toshiba。

Xilinx的成功不僅僅得益于它的硬件產品，軟件也是很重要的一個砝碼。更快、更智能、易用的原理圖編輯、設計實現和驗證工具始終都是Xilinx在FPGA領域內成功的一個法寶。

為了能讓不太熟悉FPGA的讀者能夠對FPGA有一個整體印象，這里以Xilinx 4000系列的FPGA為例簡單說明它的設汁能力。XC4025包含大約1024個CLB，它們按32x32的矩陣形式排列在FPGA芯片里，這相當于25 000個等效門。這款FPGA包含422Kbit的RAM，主要用于編程。一個CLB的運行頻率可達250MHz，但如果將互連線網絡引入的延遲以及像加法器這樣更復雜的邏輯考慮進去，還可以獲得20-50MHz的時鐘頻率。直觀地講，加法器這樣的邏輯是由大量的CLB來構成的，例如個32bit的加法器要用掉62個CLB。