2008 年年初，某著名嵌入式系統(tǒng) IT 公司為了幫助其產(chǎn)品售后工程師和在線技術(shù)支持工程師更好的理解其產(chǎn)品，舉行了 ASIC/FPGA 基礎(chǔ)專(zhuān)場(chǎng)培訓(xùn)．由于后者因?yàn)楸Ｃ苤贫榷荒芙佑|到板級(jí)電路圖和 LAYOUT，同時(shí)因 ASIC/FPGA 都是典型的 SoC 應(yīng)用，通常只是將 ASIC/FPGA 當(dāng)作黑盒來(lái)理解，其猜測(cè)性讀圖造成公司與外部及公司內(nèi)部大量的無(wú)效溝通．培訓(xùn)結(jié)束后 ， 參與者紛紛表示 ASIC/FPGA 的白盒式剖析極大提高了對(duì)產(chǎn)品的理解，有效解決了合作伙伴和客戶(hù)端理解偏異性問(wèn)題，參加培訓(xùn)的工程師小 L 表示 ：“FPGA 同時(shí)擁有強(qiáng)大的處理功能和完全的設(shè)計(jì)自由度，以致于它的行業(yè)對(duì)手 ASIC 的設(shè)計(jì)者在做 wafer fabrication 之前 ， 也大量使用 FPGA 來(lái)做整個(gè)系統(tǒng)的板級(jí)仿真，學(xué)習(xí) FPGA 開(kāi)發(fā)知識(shí)不但提升了我們的服務(wù)質(zhì)量從個(gè)人角度講也提升了自己的價(jià)值。”

　　實(shí)際上，小 L 只是中國(guó)數(shù)十萬(wàn) FPGA 開(kāi)發(fā)工程師中一個(gè)縮影，目前，隨著 FPGA 從可編程邏輯芯片升級(jí)為可編程系統(tǒng)級(jí)芯片，其在電路中的角色已經(jīng)從最初的邏輯膠合延伸到數(shù)字信號(hào)處理、接口、高密度運(yùn)算等更廣闊的范圍，應(yīng)用領(lǐng)域也從通信延伸到消費(fèi)電子、汽車(chē)電子、工業(yè)控制、醫(yī)療電子等更多領(lǐng)域，現(xiàn)在，大批其他領(lǐng)域的工程師也像小 L 一樣加入到 FPGA 學(xué)習(xí)應(yīng)用大軍中。未來(lái)，隨著 FPGA 把更多的硬核如 PowerPC? 處理器等集成進(jìn)來(lái)，以及采用新的工藝將存儲(chǔ)單元集成，F(xiàn)PGA 越來(lái)越成為一種融合處理、存儲(chǔ)、接口于一體的超級(jí)芯片，“FPGA 會(huì)成為一種板級(jí)芯片，未來(lái)的電子產(chǎn)品可以通過(guò)配置 FPGA 來(lái)實(shí)現(xiàn)功能的升級(jí)，實(shí)際上，某些通信設(shè)備廠商已經(jīng)在嘗試這樣做了。”賽靈思公司全球資深副總裁湯立人這樣指出。可以想象，未來(lái)，F(xiàn)PGA 開(kāi)發(fā)能力對(duì)工程師而言將成為類(lèi)似 C 語(yǔ)言的基礎(chǔ)能力之一，面對(duì)這樣的發(fā)展趨勢(shì)，你還能簡(jiǎn)單地將 FPGA 當(dāng)成一種邏輯器件嗎？還能對(duì) FPGA 的發(fā)展無(wú)動(dòng)于衷嗎？

　　FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的縮寫(xiě)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，它是在 PAL、GAL、CPLD 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(zhuān)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)。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(hù)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，因此獲得了廣大硬件工程師的青睞。

　　對(duì) PROM、EPROM、E2PROM 熟悉的人都知道這些可編程器件的可編程原理是通過(guò)加高壓或紫外線導(dǎo)致三極管或 MOS 管內(nèi)部的載流子密度發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)所謂的可編程，但是這些器件或只能實(shí)現(xiàn)單次可編程或編程狀態(tài)難以穩(wěn)定。FPGA 則不同，它采用了邏輯單元陣列 LCA（Logic Cell Array） 這樣一個(gè)新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊 CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊 IOB（Input Output Block） 和內(nèi)部連線 （Interconnect） 三個(gè)部分。

　　FPGA 的可編程實(shí)際上是改變了 CLB 和 IOB 的觸發(fā)器狀態(tài)，這樣，可以實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)的編程由于 FPGA 需要被反復(fù)燒寫(xiě)，它實(shí)現(xiàn)組合邏輯的基本結(jié)構(gòu)不可能像 ASIC 那樣通過(guò)固定的與非門(mén)來(lái)完成，而只能采用一種易于反復(fù)配置的結(jié)構(gòu)。查找表可以很好地滿(mǎn)足這一要求，目前主流 FPGA 都采用了基于 SRAM 工藝的查找表結(jié)構(gòu)，也有一些軍品和宇航級(jí) FPGA 采用 Flash 或者熔絲與反熔絲工藝的查找表結(jié)構(gòu)。通過(guò)燒寫(xiě)文件改變查找表內(nèi)容的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì) FPGA 的重復(fù)配置。

　　根據(jù)數(shù)字電路的基本知識(shí)可以知道，對(duì)于一個(gè) n 輸入的邏輯運(yùn)算，不管是與或非運(yùn)算還是異或運(yùn)算等等，最多只可能存在 2n 種結(jié)果。所以如果事先將相應(yīng)的結(jié)果存放于一個(gè)存貯單元，就相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了與非門(mén)電路的功能。FPGA 的原理也是如此，它通過(guò)燒寫(xiě)文件去配置查找表的內(nèi)容，從而在相同的電路情況下實(shí)現(xiàn)了不同的邏輯功能。

　　查找表 （Look-Up-Table） 簡(jiǎn)稱(chēng)為 LUT，LUT 本質(zhì)上就是一個(gè) RAM。目前 FPGA 中多使用 4 輸入的 LUT，所以每一個(gè) LUT 可以看成一個(gè)有 4 位地址線的 的 RAM。 當(dāng)用戶(hù)通過(guò)原理圖或 HDL 語(yǔ)言描述了一個(gè)邏輯電路以后，PLD/FPGA 開(kāi)發(fā)軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算邏輯電路的所有可能結(jié)果，并把真值表 （ 即結(jié)果 ） 事先寫(xiě)入 RAM，這樣，每輸入一個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算就等于輸入一個(gè)地址進(jìn)行查表，找出地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容，然后輸出即可。

　　從表中可以看到，LUT 具有和邏輯電路相同的功能。實(shí)際上，LUT 具有更快的執(zhí)行速度和更大的規(guī)模。

　　由于基于 LUT 的 FPGA 具有很高的集成度，其器件密度從數(shù)萬(wàn)門(mén)到數(shù)千萬(wàn)門(mén)不等，可以完成極其復(fù)雜的時(shí)序與邏輯組合邏輯電路功能，所以適用于高速、高密度的高端數(shù)字邏輯電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域。其組成部分主要有可編程輸入 / 輸出單元、基本可編程邏輯單元、內(nèi)嵌 SRAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元、內(nèi)嵌專(zhuān)用單元等，主要設(shè)計(jì)和生產(chǎn)廠家有賽靈思、Altera、Lattice、Actel、Atmel 和 QuickLogic 等公司，其中最大的是美國(guó)賽靈思公司，占有可編程市場(chǎng) 50% 以上的市場(chǎng)份額，比其他所有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手市場(chǎng)份額的總和還多。

　　FPGA 是由存放在片內(nèi) RAM 中的程序來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的 RAM 進(jìn)行編程。用戶(hù)可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。

　　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， FPGA 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。FPGA 的編程無(wú)須專(zhuān)用的 FPGA 編程器，只須用通用的 EPROM、PROM 編程器即可。這樣，同一片 FPGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA 的使用非常靈活。