什么是FPGA？

什么是可編程邏輯？
在數字電子系統領(lǐng)域，存在三種基本的器件類(lèi)型：存儲器、微處理器和邏輯器件。存儲器用來(lái)存儲隨機信息，如數據表或數據庫的內容。微處理器執行軟件指令來(lái)完成范圍廣泛的任務(wù)，如運行字處理程序或視頻游戲。邏輯器件提供特定的功能，包括器件與器件間的接口、數據通信、信號處理、數據顯示、定時(shí)和控制操作、以及系統運行所需要的所有其它功能。 
固定邏輯與可編程邏輯
邏輯器件可分為兩大類(lèi) – 固定邏輯器件和可編程邏輯器件。正如其命名一樣，固定邏輯器件中的電路是永久性的，它們完成一種或一組功能 —— 一旦制造完成，就無(wú)法改變。另一方面，可編程邏輯器件（PLD）是能夠為客戶(hù)提供范圍廣泛的多種邏輯容量、特性、速度和電壓參數的標準成品部件 —— 而且此類(lèi)器件可在任何時(shí)間改變，從而完成許多種不同的功能。 
對于固定邏輯器件，根據器件復雜性不同，從設計、原型到最終生產(chǎn)所需要的時(shí)間可從數月至一年多不等。而且，如果器件工作不合適，或者如果應用要求發(fā)生了變化，那么就必須開(kāi)發(fā)全新的設計。設計和驗證固定邏輯的前期工作需要大量的NRE成本。NRE代表在固定邏輯器件最終從芯片制造廠(chǎng)制造出來(lái)以前客戶(hù)需要投入的所有成本，這些成本包括工程資源、昂貴的軟件設計工具、用來(lái)制造芯片不同金屬層的昂貴光刻掩膜組以及初始原型器件的生產(chǎn)成本。這些NRE成本可能從數十萬(wàn)美元至數百萬(wàn)美元。
對于可編程邏輯器件，設計人員可利用價(jià)格低廉的軟件工具快速開(kāi)發(fā)、仿真和測試其設計。然后，可快速將設計編程到器件中，并立即在實(shí)際運行的電路中對設計進(jìn)行測試。原型中使用的PLD器件與正式生產(chǎn)最終設備（如網(wǎng)絡(luò )路由器、DSL調制解調器、DVD播放器、或汽車(chē)導航系統）時(shí)所使用的PLD完全相同。這樣就沒(méi)有了NRE成本，最終的設計也比采用定制固定邏輯器件時(shí)完成得更快。
采用PLD的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)點(diǎn)是在設計階段中客戶(hù)可根據需要修改電路，直到對設計工作感到滿(mǎn)意為止。這是因為PLD基于可重寫(xiě)的存儲器技術(shù)——要改變設計，只需要簡(jiǎn)單地對器件進(jìn)行重新編程。一旦設計完成，客戶(hù)可立即投入生產(chǎn)，只需要利用最終軟件設計文件簡(jiǎn)單地編程所需要數量的PLD就可以了。 
 
CPLD和FPGA
可編程邏輯器件的兩種類(lèi)型是現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）和復雜可編程邏輯器件（CPLD）。在這兩類(lèi)可編程邏輯器件中，FPGA提供了最高的邏輯密度、最豐富的特性和最高的性能?，F在最新的FPGA器件，如Xilinx Virtex™ 系列中的部分器件，可提供八百萬(wàn)“系統門(mén)”（相對邏輯密度）。這些先進(jìn)的器件還提供諸如內建的硬連線(xiàn)處理器（如IBM Power PC）、大容量存儲器、時(shí)鐘管理系統等特性，并支持多種最新的超快速器件至器件（device-to-device）信號技術(shù)。FPGA被應用于范圍廣泛的應用中，從數據處理和存儲直到儀器儀表、電信和數字信號處理。 
與此相比，CPLD提供的邏輯資源少得多 —— 最高約1萬(wàn)門(mén)。但是，CPLD提供了非常好的可預測性，因此對于關(guān)鍵的控制應用非常理想。而且CPLD器件（如Xilinx CoolRunner™ 系列）需要的功耗極低，并且價(jià)格低廉，從而使其對于成本敏感的、電池供電的便攜式應用（如移動(dòng)電話(huà)和數字手持助理）非常理想。 
PLD的優(yōu)點(diǎn)
固定邏輯器件和PLD各有自己的優(yōu)點(diǎn)。例如，固定邏輯器件經(jīng)常更適合大批量應用，因為它們可更為經(jīng)濟地大批量生產(chǎn)。對一些需要極高性能的應用，固定邏輯也可能是最佳的選擇。 
然而，可編程邏輯器件提供了一些優(yōu)于固定邏輯器件的重要優(yōu)點(diǎn)，包括：
•    PLD在設計過(guò)程中為客戶(hù)提供了更大的靈活性，因為對于PLD來(lái)說(shuō)，設計反復只需要簡(jiǎn)單地改變編程文件就可以了，而且設計改變的結果可立即在工作器件中看到。 
•    PLD不需要漫長(cháng)的前導時(shí)間來(lái)制造原型或正式產(chǎn)品 – PLD器件已經(jīng)放在分銷(xiāo)商的貨架上并可隨時(shí)付運。 
•    PLD不需要客戶(hù)支付高昂的NRE成本和購買(mǎi)昂貴的掩膜組。PLD供應商在設計其可編程器件時(shí)已經(jīng)支付了這些成本，并且可通過(guò)PLD產(chǎn)品線(xiàn)延續多年的生命期來(lái)分攤這些成本。 
•    PLD允許客戶(hù)在需要時(shí)僅訂購所需要的數量，從而使客戶(hù)可控制庫存。采用固定邏輯器件的客戶(hù)經(jīng)常會(huì )面臨需要廢棄的過(guò)量庫存，而當對其產(chǎn)品的需求高漲時(shí)，他們又可能為器件短缺（供貨不足）所苦，并且不得不面對生產(chǎn)延遲的現實(shí)。 
•    PLD甚至在設備付運到客戶(hù)那兒以后還可以重新編程。事實(shí)上，由于有了可編程邏輯器件，一些設備制造商現在正在嘗試為已經(jīng)安裝在現場(chǎng)的產(chǎn)品增加新功能或者進(jìn)行升級。要實(shí)現這一點(diǎn)，只需要通過(guò)因特網(wǎng)將新的編程文件上載到PLD就可以在系統中創(chuàng )建出新的硬件邏輯。 
過(guò)去幾年時(shí)間里，可編程邏輯供應商取得了巨大的技術(shù)進(jìn)步，以致現在PLD被眾多設計人員視為是邏輯解決方案的當然之選。能夠實(shí)現這一點(diǎn)的重要原因之一是像賽靈思這樣的PLD供應商是“無(wú)晶圓制造廠(chǎng)”企業(yè)，并不直接擁有芯片制造工廠(chǎng)，賽靈思將芯片制造工作外包給聯(lián)華電子（UMC）和東芝，他們是芯片制造行業(yè)的領(lǐng)導廠(chǎng)商。這一策略使賽靈思可以集中精力設計新產(chǎn)品結構、軟件工具和IP核心，同時(shí)還可以利用最先進(jìn)的半導體制造工藝技術(shù)。先進(jìn)的工藝技術(shù)在一系列關(guān)鍵領(lǐng)域為PLD提供了幫助：更快的性能、集成更多功能、降低功耗和成本等。目前賽靈思提供采用先進(jìn)的90nm和65nm工藝生產(chǎn)的可編程邏輯器件，它們都是業(yè)界最領(lǐng)先的工藝。
例如，僅僅數年前，最大規模的FPGA器件也僅僅為數萬(wàn)系統門(mén)，工作在40 MHz。過(guò)去的FPGA也相對較貴，當時(shí)最先進(jìn)的FPGA器件大約要150美元。然而，今天具有最先進(jìn)特性的FPGA可提供百萬(wàn)門(mén)的邏輯容量、工作在300 MHz，成本低至不到10美元，并且還提供了更高水平的集成特性，如處理器和存儲器。 
同樣重要的是，PLD現在有越來(lái)越多的核心技術(shù)（IP）庫的支持 - 用戶(hù)可利用這些預定義和預測試的軟件模塊在PLD內迅速實(shí)現系統功能。IP核心包括從復雜數字信號處理算法和存儲器控制器直到總線(xiàn)接口和成熟的軟件微處理器在內的一切。此類(lèi)IP核心為客戶(hù)節約了大量時(shí)間和費用 – 否則，用戶(hù)可能需要數月的時(shí)間才能實(shí)現這些功能，而且還會(huì )進(jìn)一步延遲產(chǎn)品推向市場(chǎng)的時(shí)間。 
結論
可編程邏輯的價(jià)值在于其縮短了電子產(chǎn)品制造商的開(kāi)發(fā)周期以及幫助他們更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)的能力。隨著(zhù)PLD供應商繼續致力于在可編程邏輯器件中集成更多的功能、進(jìn)一步降低成本并提高能夠節約時(shí)間的IP核心的可用性，可編程邏輯一定會(huì )在數字設計人員中進(jìn)一步普及開(kāi)來(lái)。
實(shí)際上，近年來(lái)，PLD銷(xiāo)售額的增長(cháng)速度已經(jīng)超過(guò)基于傳統門(mén)陣列技術(shù)的固定邏輯器件的銷(xiāo)售增長(cháng)速度。而且，高性能FPGA現在已開(kāi)始從采用最先進(jìn)的標準單元技術(shù)制造的固定邏輯器件那兒贏(yíng)得市場(chǎng)份額。 
根據半導體行業(yè)聯(lián)盟（SIA）提供的數據，可編程邏輯現在是半導體行業(yè)中增長(cháng)最快的領(lǐng)域之一，在過(guò)去幾年時(shí)間里，PLD的銷(xiāo)售增長(cháng)速度超過(guò)了整個(gè)半導體行業(yè)的平均銷(xiāo)售增長(cháng)速度。