什么是FPGA？FPGA架构和FPGA应用

长期以来，电子行业一直将仿真和原型制作作为其重要领域。电子公司使用其标准和协议设计专用于其产品的硬件，这使得最终用户根据其需求重新配置硬件具有挑战性。对硬件的这种要求导致了新的称为FPGA（Field Programmable Gate Array）的客户可配置现场可编程集成电路领域的增长。

在本文中，英锐恩单片机开发工程师将介绍FPGA架构和应用。

一、什么是FPGA？

FPGA是Field Programmable Gate Array的简称，中文称为现场可编程门阵列，这是一种广泛用于电子电路中的设备。FPGA是包含可编程逻辑块和互连电路的半导体器件，制造后可以对其进行编程或重新编程为所需的功能。

二、FPGA基础

制造电路板时以及电路板中是否包含FPGA时。这是在制造过程中编程的，以后可以再编程以创建更新或进行必要的更改。

FPGA的这一功能使其在ASIC中独树一帜。专用集成电路（ASIC）是为特定设计任务定制制造的。过去，FPGA用于开发低速，复杂和批量设计，但如今，FPGA轻松将性能障碍推至500MHz。

在单片机中，该芯片是为客户设计的，他们必须编写软件并将其编译为十六进制文件才能加载到单片机中。该软件存储在闪存中，可以轻松更换。

在FPGA中，没有处理器可以运行该软件，因此我们是设计电路的人。我们可以将FPGA配置为与门一样简单，也可以配置为多核处理器。

为了创建设计，我们编写了两种类型的硬件描述语言（HDL）– Verilog和VHDL。然后，使用BITGEN将HDL合成为位文件以配置FPGA。FPGA将配置存储在RAM中，即在没有电源连接时配置会丢失。因此，必须在每次供电时对其进行配置。

三、FPGA架构

FPGA是预制的硅芯片，可以对其进行电气编程以实现数字设计。第一个基于静态存储器的FPGA被称为SRAM，用于使用配置位流配置逻辑和互连。今天的现代EPGA包含大约330000个逻辑块和大约1100个输入和输出。

FPGA架构由三个主要组件组成：

（1）可编程逻辑块，实现逻辑功能；
（2）可编程路由（互连），实现功能；
（3）I/O模块，用于进行片外连接。

四、可编程逻辑块

可编程逻辑块提供了数字系统中使用的基本计算和存储元素。基本逻辑元件由可编程组合逻辑，触发器和一些快速进位逻辑组成，以减小面积并降低延迟成本。

现代FPGA包含不同块的异构混合物，例如专用存储块，多路复用器。在整个逻辑块中使用配置存储器来控制每个元素的特定功能。

五、可编程路由

可编程路由在逻辑块和输入/输出块之间建立连接，以完成用户定义的设计单元。它由多路复用器通过晶体管和三态缓冲器组成。在逻辑集群中使用传输晶体管和多路复用器连接逻辑元件。

六、可编程I/O

可编程的I/O焊盘用于将逻辑块和路由体系结构连接到外部组件。I/O焊盘和周围的逻辑电路形成为I/O单元。这些单元占用了FPGA面积的很大一部分。I/O可编程块的设计很复杂，因为电源电压和参考电压之间存在很大差异。标准的选择在I/O架构设计中很重要。支持大量标准可以增加I/O单元所需的硅芯片面积。

七、FPGA架构及其应用

随着技术的进步，基本的FPGA体系结构通过添加更多的专用可编程功能块而得以发展。由于对应用程序的此类资源的需求频率很高，因此特殊功能块（如ALU，块RAM，多路复用器，DSP-48和微处理器）已添加到FPGA。

八、FPGA的应用

1.在过去的几十年中，FPGA已迅速被接受。以下是FPGA在各种技术中的一些应用。
2.用户可以将它们应用于广泛的应用程序，例如随机逻辑、SPLD、设备控制器、通信编码和过滤。
3.通过使用许多互连的FPGA对整个大型硬件系统进行仿真。
4.它们为满足机器视觉，工业网络，电机控制和视频监控提供了强大的解决方案。
5.FPGA用于定制计算机中。
6.FPGA提供了高度并行的自定义计算和低成本计算的独特组合。

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