長期以來，電子行業一直將仿真和原型制作作為其重要領域。電子公司使用其標準和協議設計專用于其產品的硬件，這使得最終用戶根據其需求重新配置硬件具有挑戰性。對硬件的這種要求導致了新的稱為FPGA（Field Programmable Gate Array）的客戶可配置現場可編程集成電路領域的增長。

在本文中，英銳恩單片機開發工程師將介紹FPGA架構和應用。

一、什么是FPGA？

FPGA是Field Programmable Gate Array的簡稱，中文稱為現場可編程門陣列，這是一種廣泛用于電子電路中的設備。FPGA是包含可編程邏輯塊和互連電路的半導體器件，制造后可以對其進行編程或重新編程為所需的功能。

二、FPGA基礎

制造電路板時以及電路板中是否包含FPGA時。這是在制造過程中編程的，以后可以再編程以創建更新或進行必要的更改。

FPGA的這一功能使其在ASIC中獨樹一幟。專用集成電路（ASIC）是為特定設計任務定制制造的。過去，FPGA用于開發低速，復雜和批量設計，但如今，FPGA輕松將性能障礙推至500MHz。

在單片機中，該芯片是為客戶設計的，他們必須編寫軟件并將其編譯為十六進制文件才能加載到單片機中。該軟件存儲在閃存中，可以輕松更換。

在FPGA中，沒有處理器可以運行該軟件，因此我們是設計電路的人。我們可以將FPGA配置為與門一樣簡單，也可以配置為多核處理器。

為了創建設計，我們編寫了兩種類型的硬件描述語言（HDL）– Verilog和VHDL。然后，使用BITGEN將HDL合成為位文件以配置FPGA。FPGA將配置存儲在RAM中，即在沒有電源連接時配置會丟失。因此，必須在每次供電時對其進行配置。

三、FPGA架構

FPGA是預制的硅芯片，可以對其進行電氣編程以實現數字設計。第一個基于靜態存儲器的FPGA被稱為SRAM，用于使用配置位流配置邏輯和互連。今天的現代EPGA包含大約330000個邏輯塊和大約1100個輸入和輸出。

FPGA架構由三個主要組件組成：

（1）可編程邏輯塊，實現邏輯功能；
（2）可編程路由（互連），實現功能；
（3）I/O模塊，用于進行片外連接。

四、可編程邏輯塊

可編程邏輯塊提供了數字系統中使用的基本計算和存儲元素。基本邏輯元件由可編程組合邏輯，觸發器和一些快速進位邏輯組成，以減小面積并降低延遲成本。

現代FPGA包含不同塊的異構混合物，例如專用存儲塊，多路復用器。在整個邏輯塊中使用配置存儲器來控制每個元素的特定功能。

五、可編程路由

可編程路由在邏輯塊和輸入/輸出塊之間建立連接，以完成用戶定義的設計單元。它由多路復用器通過晶體管和三態緩沖器組成。在邏輯集群中使用傳輸晶體管和多路復用器連接邏輯元件。

六、可編程I/O

可編程的I/O焊盤用于將邏輯塊和路由體系結構連接到外部組件。I/O焊盤和周圍的邏輯電路形成為I/O單元。這些單元占用了FPGA面積的很大一部分。I/O可編程塊的設計很復雜，因為電源電壓和參考電壓之間存在很大差異。標準的選擇在I/O架構設計中很重要。支持大量標準可以增加I/O單元所需的硅芯片面積。

七、FPGA架構及其應用

隨著技術的進步，基本的FPGA體系結構通過添加更多的專用可編程功能塊而得以發展。由于對應用程序的此類資源的需求頻率很高，因此特殊功能塊（如ALU，塊RAM，多路復用器，DSP-48和微處理器）已添加到FPGA。

八、FPGA的應用

1.在過去的幾十年中，FPGA已迅速被接受。以下是FPGA在各種技術中的一些應用。
2.用戶可以將它們應用于廣泛的應用程序，例如隨機邏輯、SPLD、設備控制器、通信編碼和過濾。
3.通過使用許多互連的FPGA對整個大型硬件系統進行仿真。
4.它們為滿足機器視覺，工業網絡，電機控制和視頻監控提供了強大的解決方案。
5.FPGA用于定制計算機中。
6.FPGA提供了高度并行的自定義計算和低成本計算的獨特組合。

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