FPGA是什么（超级详细）
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 中给出了 fpga 芯片的实物图：
图 1 fpga芯片实物图
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 2 所示：
图 2 pla内部结构
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 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。
图 3 prom内部结构
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 4 所示。
图 4 pal结构图
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：
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；
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 5 所示：
图 5 gal结构图
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 6 所示。
图 6 cpld结构图
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，如下表所示。
表：fpga与cpld的性能比较 器件种类/特性 fpga cpld
内部结构 查找表（look up table） 乘积项（product term）
程序存储 内部为 sram 结构，外挂 eeprom 或 flash 存储程序 内部为 eeprom 或 flash
资源类型 触发器资源丰富 组合逻辑资源丰富
集成度 高 低
使用场合 完成比较复杂的算法 完成控制逻辑
速度 快 慢
其他资源 ram、pll、dsp 等 ——
保密性 一般不能保密（可以使用加密核） 可加密
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。fpga 的结构图如图 8 所示。
图 8 fpga结构图
fpga 的技术优势 许多读者都知道 fpga 功能强大，但它强大在哪儿？以单片机举例说明，我们都知道，单片机功能强大，几乎无所不能，而 fpga 与之相比只强不弱。因为只要单片机能实现的功能，fpga 就一定能实现，当然这需要加一个大前提——在 fpga 资源足够多的情况下。但是 fpga 能实现的功能，单片机却不一定能够轻松实现，这是不争的事实，如果你不相信，那只能说明你还不了解 fpga。说到这里，读者不禁要问，既然 fpga 这么厉害，为什么单片机的使用范围更广？那是因为在商业中，价格往往是影响产品的重要因素之一。单片机的价格要远远低于 fpga，而且根据性能和资源的不同，fpga 的价格也存在很大差异，单枚 fpga 芯片的价格从几十元到几十万元不等。与之相比，单片机的价格要便宜很多，同样的功能我们如果可以用价格低廉的单片机实现，就不会选择相对昂贵的 fpga 了，除非单片机满足不了功能需求。所以公司自己进行开发时，为了节约成本，可能会选择更加便宜的单片机，而不会选择相对昂贵的 fpga，因为单片机、arm 这种微处理器的需求量很大，所以价格上更有优势。但无论是单片机、arm 还是 fpga，它们都只是一种帮助我们实现功能的工具，具体如何选择，需要根据具体问题具体分析。总之，没有万能的工具，只有符合生产需求的工具。我们不应对某种工具存在偏见，要综合考虑。同样，当你了解得更多的时候，你会发现这些工具都需要掌握。fpga 的应用场景远没有单片机和 arm 这么多，主要针对单片机和 arm 无法解决的问题。比如要求灵活高效、高吞吐量、低批量延时、快速并行运算、可重构、可重复编程、可实现定制性能和定制功耗的情况，这些工作只能由fpga承担。而相对于出于专门目的而设计的集成电路（application specific integrated circuit，asic），fpga 具有 3 点优势：
1) 灵活性 通过对 fpga 编程，fpga 可以执行 asic 能够执行的任何逻辑功能。fpga 的独特优势在于其灵活性，即随时可以改变芯片功能，在技术还未成熟的阶段，这种特性能够降低产品的成本与风险，在 5g 技术普及初期，这种特性尤为重要。
2) 上市时间缩短 对 fpga 编程后即可直接使用，fpga 方案无须经历三个月至一年的芯片流片周期，为企业争取了产品上市时间。
3) 有一定成本优势 fpga 与 asic 的主要区别在于 asic 方案有固定成本而 fpga 方案几乎没有，在使用量小的时候，采用 fpga 方案无须一次性支付几百万美元的流片成本，同时也不用承担流片失败的风险，此时 fpga 方案的成本低于 asic 的，随着使用量增加，fpga 方案在成本上的优势逐渐减少，超过某一使用量后，由于大量流片产生了规模经济，因此 asic 方案在成本上更有优势，如下图所示：
图 9 fpga方案和asic方案的成本比较
因此，fpga 通常在数字信号处理、视频处理、图像处理、5g 通信领域、医疗领域、工业控制、云服务、加速计算、人工智能、数据中心、自动驾驶、芯片验证等领域发挥着不可替代的作用。只有掌握了通用的 fpga 设计方法，才能在 fpga 独领风骚的领域中大展宏图。
fpga的应用方向 fpga 介于软件和硬件之间，用它做接口、做通信，它就偏向硬件；用它做算法、做控制，它就偏向软件。随着人工智能、机器视觉的崛起，fpga 更加偏向软件算法的异构，有和 gpu 一争高下的潜力。fpga 与 gpu 性能对比图如图 10 所示：
图 10 fpga与gpu的性能对比图
fpga 软件方向：以软件开发为主，开发 fpga 在数据分析、人工智能、机器视觉等领域的加速应用能力，主要采用 opencl 和 hls 技术实现软硬件协同开发。fpga 硬件方向：以逻辑设计为主，针对fpga特定领域的应用设计、集成电路设计以及芯片验证能力。fpga 最初的应用领域是通信领域，但是随着信息产业和微电子技术的发展，fpga 技术已经成为信息产业最热门的技术之一，应用范围扩大，遍及航空航天、汽车、医疗、广播、测试测量、消费电子、工业控制等热门领域，而且随着工艺的发展和技术的进步，从各个角度开始渗透到生活当中。
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图 2 pla内部结构
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 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。
图 3 prom内部结构
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 4 所示。
图 4 pal结构图
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：
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；
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 5 所示：
图 5 gal结构图
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 6 所示。
图 6 cpld结构图
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，如下表所示。
表：fpga与cpld的性能比较 器件种类/特性 fpga cpld
内部结构 查找表（look up table） 乘积项（product term）
程序存储 内部为 sram 结构，外挂 eeprom 或 flash 存储程序 内部为 eeprom 或 flash
资源类型 触发器资源丰富 组合逻辑资源丰富
集成度 高 低
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速度 快 慢
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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。fpga 的结构图如图 8 所示。
图 8 fpga结构图
fpga 的技术优势 许多读者都知道 fpga 功能强大，但它强大在哪儿？以单片机举例说明，我们都知道，单片机功能强大，几乎无所不能，而 fpga 与之相比只强不弱。因为只要单片机能实现的功能，fpga 就一定能实现，当然这需要加一个大前提——在 fpga 资源足够多的情况下。但是 fpga 能实现的功能，单片机却不一定能够轻松实现，这是不争的事实，如果你不相信，那只能说明你还不了解 fpga。说到这里，读者不禁要问，既然 fpga 这么厉害，为什么单片机的使用范围更广？那是因为在商业中，价格往往是影响产品的重要因素之一。单片机的价格要远远低于 fpga，而且根据性能和资源的不同，fpga 的价格也存在很大差异，单枚 fpga 芯片的价格从几十元到几十万元不等。与之相比，单片机的价格要便宜很多，同样的功能我们如果可以用价格低廉的单片机实现，就不会选择相对昂贵的 fpga 了，除非单片机满足不了功能需求。所以公司自己进行开发时，为了节约成本，可能会选择更加便宜的单片机，而不会选择相对昂贵的 fpga，因为单片机、arm 这种微处理器的需求量很大，所以价格上更有优势。但无论是单片机、arm 还是 fpga，它们都只是一种帮助我们实现功能的工具，具体如何选择，需要根据具体问题具体分析。总之，没有万能的工具，只有符合生产需求的工具。我们不应对某种工具存在偏见，要综合考虑。同样，当你了解得更多的时候，你会发现这些工具都需要掌握。fpga 的应用场景远没有单片机和 arm 这么多，主要针对单片机和 arm 无法解决的问题。比如要求灵活高效、高吞吐量、低批量延时、快速并行运算、可重构、可重复编程、可实现定制性能和定制功耗的情况，这些工作只能由fpga承担。而相对于出于专门目的而设计的集成电路（application specific integrated circuit，asic），fpga 具有 3 点优势：
1) 灵活性 通过对 fpga 编程，fpga 可以执行 asic 能够执行的任何逻辑功能。fpga 的独特优势在于其灵活性，即随时可以改变芯片功能，在技术还未成熟的阶段，这种特性能够降低产品的成本与风险，在 5g 技术普及初期，这种特性尤为重要。
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图 10 fpga与gpu的性能对比图
fpga 软件方向：以软件开发为主，开发 fpga 在数据分析、人工智能、机器视觉等领域的加速应用能力，主要采用 opencl 和 hls 技术实现软硬件协同开发。fpga 硬件方向：以逻辑设计为主，针对fpga特定领域的应用设计、集成电路设计以及芯片验证能力。fpga 最初的应用领域是通信领域，但是随着信息产业和微电子技术的发展，fpga 技术已经成为信息产业最热门的技术之一，应用范围扩大，遍及航空航天、汽车、医疗、广播、测试测量、消费电子、工业控制等热门领域，而且随着工艺的发展和技术的进步，从各个角度开始渗透到生活当中。
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