1.1.FPGA设计概述
FPGA概述PPT课件
6.底层内嵌功能单元 内嵌专用硬核是相对于底层嵌入的软核而言 的，硬核（Hard Core）使FPGA具有强大 的处理能力，等效于ASIC电路。
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1.3 IP核简介
IP（Intelligent Property）核
是具有知识产权的集成电路芯核总称，是 经过反复验证过的、具有特定功能的宏模 块，与芯片制造工艺无关，可以移植到不 同的半导体工艺中。
通道绑定原 理示意图
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5.预加重技术 在印制的电路板上，线路是呈现低通滤波 器的频率特性的，为解决高频部分的损失， 就要采取预加重技术。
预加重技术的思想是：在传输信号时，抬高 信号的高频信号，以补偿线路上高频分量的 损失。
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没有预加重 的发送波形
•30
预加重后的 发送波形
没有预加重 的接收波形
典型的IOB内部结构示意图
2.可配置逻辑块(CLB)
CLB是FPGA内的基本逻辑单元 .
CLB的实际数量和特性会依据器件的不同而不同，但是每 个CLB都包含一个可配置开关矩阵，此矩阵由选型电路(多 路复用器等)、触发器和4或6个输入组成。
典型的CLB结 构示意图
3. 数字时钟管理模块（DCM）
目前FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一 个LUT可以看成是一个有4位地址线的RAM。当用 户通过原理图或HDL语言描述一个逻辑电路以后， PLD/FPGA开发软件会自动计算逻辑电路的所有可 能结果，并把真值表(即结果)写入RAM，这样，每 输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址去 进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。
DLL简单模 型示意图
Xilinx DLL的典 型模型示意图
在FPGA设计中，消除时钟的传输延迟，实现高扇出 最简单的方法就是用DLL，把CLK0与CLKFB相连 即可。 利用一个DLL可以 实现2倍频输出
第1章 FPGA开发简介-Altera FPGA系统设计实用教程(第2版)-李莉-清华大学出版社
下载电缆
ByteBlaster II
USB-Blaster
Ethernet Blaster
（1）完全符合设计人员的设计思路，从功能描述开 始，到物理实现的完成。
（2）设计更加灵活。 （3）设计易于移植和更改。 （4）易于进行大规模、复杂电路的设计实现。 （5）设计周期缩短。
1.4.2 典型FPGA开发流程
电路功能设计
设计输入
编译 综合
功能仿真
FPGA适配（布局布线）
时序仿真
配置
硬件环境要求高，软件投资大，通用性强，不面向具体 公司的PLD器件。
PLD制造厂商开发的专用软件工具则具有硬件环境要求 低，软件投资小的特点，并且很多PLD厂商的开发工具 是免费提供的，因此其市场占有率非常大；缺点是只针 对本公司的PLD器件，有一定的局限性。
1.4 基于FPGA的开发流程
1.4.1 FPGA设计方法概论 FPGA的设计方法属于自上而下的设计方法
第1章 FPGA开发简介
1.1 可编程逻辑器件概述 1.2 FPGA芯片 1.3 FPGA开发工具 1.4 基于FPGA的开发流程
1.1 可编程逻辑器件概述
可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，简
称PLD）
可编程逻辑器件
PLD
低密度 PLD
高密度 PLD
PROM
PLA
PAL
GAL
EPLD CPLD FPGA
70年代初
70年代末 80年代初
80年代中期
80年代中期 及以后
图1-1 PLD器件的发展流程
低密度PLD的基本结构参考图
输入项 乘积项
或项
输
输
FPGA技术概述
FPGA技术概述FPGA (Field Programmable Gate Array) 是一种可编程逻辑器件，它允许开发者根据特定应用的需求灵活地设计和重新设计电路。
与传统的ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 相比，FPGA 提供了更高的灵活性和可重构性，因此在数字逻辑设计领域得到了广泛应用。
FPGA的主要特点是其可编程性。
它由大量的可编程逻辑资源（如逻辑门、查找表和触发器）组成，并通过一个可编程的互连网络相互连接。
这使得FPGA可以根据特定应用的需求进行逻辑配置，即可编程性。
与ASIC不同，FPGA不需要定制的制造流程或掩膜。
相反，FPGA只需要进行逻辑设计、编程和烧录即可使器件完成所需的功能。
FPGA的可编程性使其具有广泛的应用领域。
它可以用于数字信号处理、通信、图像和音频处理、嵌入式系统、网络加速、科学计算等领域。
由于FPGA的可重构性，它可以在设计完成后进行修改和更新。
这在一些应用中非常有用，特别是那些需要频繁变更的应用。
除此之外，FPGA还可以提供更高的性能和功耗效率，这使其成为许多应用的首选器件。
FPGA的工作原理是通过配置内部的可编程逻辑资源来实现特定功能。
这个过程通常由设计人员完成，他们使用硬件描述语言（HDL）如VHDL或Verilog来描述所需逻辑和信号处理功能。
然后，这些描述被综合、分析和映射到目标FPGA硬件上。
最后，配置文件被烧录到目标FPGA上，从而将逻辑功能加载到硬件上。
FPGA的内部结构包括可编程逻辑资源、互连网络和输入/输出接口。
可编程逻辑资源包括逻辑门、触发器、存储器和DSP (Digital SignalProcessing) 模块等。
互连网络用于连接不同的逻辑资源以实现特定功能。
输入/输出接口允许FPGA与其他外部设备进行通信。
随着技术的发展，FPGA的规模和性能不断提升。
最新的FPGA芯片包含千万甚至上亿个逻辑门和查找表，可以处理多种应用的复杂需求。
FPGA及其设计简介
FPGA及其设计原理简介搜集&制作者：myxxyyFPGA(Field Programmable Gate Array)全称现场可编程门阵列，是1984年由美国Xilinx公司发明的基于SRAM工艺以查找表（LUT）为基本单元的新型可编程逻辑器件（PLD）。
所谓PLD，是指运行功能是在器件生产出来以后由使用者设定的，以此区别于传统的固定功能型器件。
FPGA可由用户自定义其内部的逻辑和功能，同时又能够进行无限次的重新配置，加上PC机上CAD辅助设计软件和强大的仿真工具，使得电子设计工程师在办公室或实验室中就可以设计自己的ASIC器件，实现用户规定的各种专门用途，极大的增加了电子系统设计的灵活性。
目前，FPGA广泛应用于通信、移动设备、航空航天、自动控制等领域，并有向计算密集型应用发展的趋势。
1.FPGA设计流程及步骤图1：FPGA的设计流程图说明：z HDL语言指VHDL和Verilog HDL等。
z逻辑仿真器主要指ModelSim，Verilog-XL等。
z逻辑综合器主要指LeonardoSpectrum、Synplify、FPGA Express/FPGA Compiler等。
z FPGA厂家工具指的是如Altera的Max PlusII、Quartus II，Xilinx的Foundation、Alliance、ISE等下面分别介绍各个设计步骤：1.1设计定义这是由系统概要设计指导和详细设计具体规定下的本FPGA模块必须完成的功能以及与外围器件的接口，包括接口信号规格、处理时钟频率、时序要求、管脚分配锁定等，是对FPGA进行编程设定的依据。
对设计定义的要求是合理、清晰、准确。
1.2设计输入设计输入主要包括使用硬件描述语言HDL与原理图输入两种方式。
HDL设计方式是现今设计大规模数字集成电路的良好形式，除IEEE标准中VHDL与Verilog HDL两种形式外，尚有各自FPGA厂家推出的专用语言，如Quartus 下的AHDL。
fpga现代数字系统设计教程——基于xilinx可编程逻辑
fpga现代数字系统设计教程——基于xilinx可编程逻辑1. 引言1.1 概述:在当今数字系统设计领域，快速、高效的设计流程和可靠的硬件实现是至关重要的。
而可编程逻辑器件（FPGA）作为一种灵活且可重构的芯片，正逐渐成为数字系统设计中的主流选择。
本教程将介绍如何利用Xilinx可编程逻辑来进行现代化数字系统设计。
1.2 文章结构:本文将按照以下方式组织内容：第二部分将对FPGA进行概述，包括可编程逻辑器件简介以及Xilinx FPGA的介绍。
此外，我们还将探讨FPGA在数字系统设计中的各种应用。
第三部分将回顾一些基本原理，并提供如何搭建开发环境的指南。
其中包括对数字电路基础知识的回顾、VHDL语言简介和基础语法，以及Xilinx Vivado工具的安装与配置方法。
第四部分将详细介绍FPGA设计流程与实践技巧。
我们会讲解项目创建与工程管理方法，并探讨如何实现模块化设计和代码重用性提高的技巧。
另外，还会介绍仿真与验证技术在FPGA设计过程中的应用。
第五部分则涵盖了一些高级主题与应用案例分析。
我们将重点讨论并行计算与加速器设计、数据通信与嵌入式系统设计以及高精度数据处理系统设计等领域的案例分析，并提供相应的实践指导。
1.3 目的:本教程通过详细讲解FPGA现代数字系统设计的流程和技巧，旨在帮助读者全面了解FPGA在数字系统设计中的应用，并提供实用的指导和建议。
通过学习本教程，读者能够掌握从开发环境搭建到高级应用案例分析所需的知识和技能，为他们日后在数字系统设计领域取得成功打下坚实基础。
无论是初学者还是有经验的工程师，都能从本教程中获益，并将其应用于自己的项目中。
2. FPGA概述:2.1 可编程逻辑器件简介:可编程逻辑器件（FPGA）是一种基于可重新配置数字电路的集成电路芯片，它可以实现用户定义的数字逻辑功能。
与传统的定制集成电路（ASIC）相比，FPGA 具有灵活性强、开发周期短和可重构性等优势。
《详解FPGA：人工智能时代的驱动引擎》札记
《详解FPGA：人工智能时代的驱动引擎》阅读随笔目录一、FPGA简介 (2)1.1 FPGA的定义与特点 (3)1.2 FPGA的发展历程 (4)1.3 FPGA的应用领域 (5)二、FPGA的工作原理 (7)2.1 FPGA的基本架构 (8)2.2 FPGA的工作模式 (10)2.3 FPGA的编程语言 (11)三、FPGA在人工智能领域的应用 (12)3.1 机器学习与深度学习 (14)3.2 自动驾驶与机器人技术 (15)3.3 无人机与智能物流 (17)3.4 医疗诊断与生物信息学 (18)3.5 其他领域的FPGA应用 (20)四、FPGA的设计与优化 (22)4.1 FPGA设计流程 (23)4.2 硬件描述语言 (25)4.3 设计优化策略 (26)4.4 性能评估与测试 (28)五、FPGA的未来发展趋势 (29)5.1 技术创新与突破 (30)5.2 行业合作与生态系统建设 (32)5.3 应对挑战与机遇 (33)六、结论 (35)6.1 FPGA在人工智能时代的重要性 (36)6.2 未来展望与期许 (37)一、FPGA简介FPGA（现场可编程门阵列）是一种集成电路芯片，它允许设计师在硬件层面上实现可编程的解决方案。
与传统的专用硬件电路相比，FPGA具有更高的灵活性和可扩展性，因此在人工智能、数据中心、通信等领域得到了广泛应用。
FPGA的核心特点是可编程性。
它可以根据需要动态地重新配置内部逻辑单元，从而实现各种功能。
这种可编程性使得FPGA在应对不断变化的应用需求时具有很高的效率。
FPGA还具备低功耗、高性能、高可靠性等优点。
FPGA的发展历程可以追溯到20世纪80年代，当时Xilinx公司推出了世界上第一款商用FPGA产品。
随着技术的不断发展，FPGA的性能不断提高，功能也越来越丰富。
FPGA已经发展到了第四代，即UltraScale系列，其最大容量可达140亿个逻辑单元，支持多种编程语言和开发工具，为人工智能时代的应用提供了强大的支持。
FPGA设计
Verilog的抽象级别
实现设计模块的 外部性能的模型
实现算法运行的模型
描述数据在寄存器 之间的流动和如何 处理、控制这些数 据的流动。 描述逻辑门以及逻辑门 之间的连接。 描述器件中三极管和存储节 点以及他们之 间的连接。
Verilog的设计方法
1、系统层：顶层模块， 行为级描述，功能模 拟和性能评估
2、由逻辑单元组 成各个功能模块
1、由基本门构成各 个组合和时序逻辑
系统级设计
模块A
模块B
模块C
模块A1
模块A2
模块A3
模块B1
模块B2
模块C1
模块C2
模块C3
五、FPGA实践
有限状态机 交通灯 自动售货机
什么是有限状态机？ 有限状态机是由寄存器组和组合逻辑构成的硬件时序电路； 其状态（即由寄存器组的1和0的组合状态所构成的有限个状 态）只能在同一时钟跳变沿的情况下才能从一个状态转向另 一个状态； 究竟转向哪一状态不但取决于各个输入值，还取决于当前状 态。 状态机可用于产生在时钟跳变沿时刻开关的复杂的控制逻辑 ，是数字逻辑的控制核心。
应用四：工业及数据处理领域 工业：工业自动控制、工业以太网等。 数据处理：数据存储、高性能计算、服务器、 PCI、 PCI Express、PS/2、USB等接口控制器、电平转换等 。
应用五：军事与航空航天领域 军事：雷达和声纳、电子站、安全通信等 航空航天：导航、高速数据处理、无线控制等
Verilog HDL的用处
在各种抽象层次上描述数字电路
测试各种层次数字电路的行为
设计出正确有效的复杂电路结构
Verilog HDL的应用
FPGA设计与嵌入式硬件开发项目课程大纲
FPGA设计与嵌入式硬件开发项目课程大纲一、课程简介本课程旨在培养学生的FPGA设计与嵌入式硬件开发能力，通过理论与实践相结合的方式，让学生掌握FPGA设计基本原理、嵌入式系统开发流程以及相关工具的使用。
通过本课程的学习，学生将具备独立进行FPGA设计与嵌入式硬件开发项目的能力。
二、课程目标1.了解FPGA的基本概念和原理；2.掌握Verilog硬件描述语言的基本语法和使用方法；3.熟悉FPGA设计流程，包括设计、仿真、综合和实现；4.学习嵌入式系统开发的基本知识和技能；5.了解常用的FPGA开发工具和开发平台；6.通过实践项目，培养学生团队合作和问题解决的能力。
三、课程内容1. FPGA基础知识1.1 FPGA的概念和特点1.2 FPGA的发展历程1.3 FPGA的应用领域1.4 FPGA与ASIC的对比2. Verilog硬件描述语言2.1 Verilog的基本语法2.2 Verilog的数据类型2.3 Verilog的运算和逻辑操作2.4 Verilog的模块化设计3. FPGA设计流程3.1 设计规范和约束3.2 设计方法和策略3.3 设计实例分析和仿真3.4 综合和布局布线3.5 静态时序分析和时钟域划分4. 嵌入式系统开发4.1 嵌入式系统的概念和特点4.2 嵌入式系统的硬件平台4.3 嵌入式系统的软件开发4.4 嵌入式系统的调试和测试4.5 嵌入式系统的性能优化5. FPGA开发工具和平台5.1 常用的FPGA开发工具介绍5.2 FPGA开发平台的选择和配置5.3 FPGA开发板的使用和调试6. 项目实践6.1 分组项目设计6.2 项目需求分析和规划6.3 项目实施与调试6.4 项目演示和总结四、教学方法本课程采用理论教学与实践相结合的教学方法。
理论教学包括课堂讲授、案例分析等；实践教学包括实验操作、项目实践等。
学生参与项目实践，提高实际操作能力和问题解决能力。
五、考核方式本课程的考核方式包括平时成绩和期末项目实践成绩。
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Cyclone LE中的查找表
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PLD设计流程
设计规范
设计导入/RTL实现
- 面向结构或功能的描述
RTL 仿真
- 功能仿真 - 确认逻辑功能不考虑延时等因素
LE
M4K
M512
综合
I/O
- 将设计转化成和器件相关的描述 - 优化以达到面积和性能的要求
布局布线
- 将逻辑实体映射到目标器件中去，并使其满足面 积和性能的要求。 - 确定布线需要的资源
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下载设计
• 一个经过验证的FPGA设计可以被下载到 FPGA器件中去。 • 可以使用USB或者并口下载器进行下载 • 下载过程甚至可以通过网络远程进行
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下载设计
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Hard Copy
• 一旦FPGA设计经过验证，并且在实际使用中获得 了成功，可以采用Hard Copy技术将其转化为结构 化ASIC。 • 使用Hard Copy技术，FPGA设计可以转移到硬链接 的芯片中，它不再有可编程特性，但是更加适合 大批量生产。 • Hard Copy技术获得的芯片可以使得功耗降低40%， 同Altera FPGA 布局
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了解业界领先的Altera PLD产品
可编程器件 设计软件 IP Core
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• 结构化 ASIC • 中高密度FPGA
Altera可编程逻辑器件
– Stratix HardCopy, HardCopy Stratix II
– Stratix II, Stratix, APEX™II, APEX 20K, & FLEX 10K
• 低成本 FPGAs
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– Cyclone II, Cyclone 带高速串行收发器的FPGA – Stratix GX & Mercury
• CPLD
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– MAX II, MAX 7000 & MAX 3000 嵌入式处理器解决方案 – Nios™ II, Excalibur™ 配置器件 – Serial (EPCS) & Enhanced (EPC)
FPGA设计概述
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课程概览
• • • • • • • 什么是PLD 设计流程 为什么使用FPGA 了解业界领先的Altera PLD产品 软核处理器 Mega Wizard 和基于IP的设计 装载设计与HardCopy技术
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为什么使用FPGA
• 和ASIC相比，可编程逻辑器件可以根据用户的需 要进行配置，每一个器件都可以完成自己独立的 功能。
ADDRESS
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ADDRESS (BINARY)
0000 0001 0010
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• 优势
– 加速设计 – Altera 构架优化 – 增加了设计的弹性
• 两类模块
– Altera专用Megafunctions – 可配置模块库(LPMs)
• 工业标准逻辑函数
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MegaWizard Plug-In Manager
• 简化了Megafunctions 和IP的实现
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MegaWizard 实例
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PLD 设计流程
tclk
时序分析
- 确认性能满足要求 - 静态时序分析
门级模拟
- 时序仿真 - 确认设计在目标工艺中的正常工作
板级模拟&测试
- 仿真版设计 - 板上程序&测试
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为什么选择FPGA
• FPGA 的逻辑单元更加密集，可以处理复杂 的逻辑。 • FPGA中，逻辑单元可以不受限制的被复制 只要他们被连接到互联网络以及I/O Blocks 中去。
更多特性
• • • • • • MegaWizard® & SOPC Builder 设计工具 LogicLock™ 优化工具 集成的嵌入式软件开发平台 SignalTap® II & SignalProbe™ 调试工具 支持Windows, Solaris, HPUX, & Linux 版本控制接口
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Nios软核处理器
• 他是Altera完全用HDL实现的16/32位RISC处理器 • NIOS的设计被整合到Quartus中，并且可以在任何 一个Altera的FPGA中实现。 • NIOS提供了GNU的开发工具，方便使用者的开发。
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Megafunction
• 预先设计好的模块
– 譬如乘加器，PLL，NIOS等等
– Quartus II Web Edition
• Free Version • Not All Features & Devices Included
– MAX+PLUS® II
• All FLEX, ACEX, & MAX Devices
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Quartus II 开发环境
• • • • • • • 完全集成的设计工具 兼容各种设计方式 逻辑综合 布局布线 仿真 时序与功耗分析 器件编程
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查找表
• 一个查找表(LUT)是一个一位宽的内存单元。 • 一个四输入的与门可以被LUT取代为四位地址输入、 一位数据输出的存储器。 • 存储器中有16个位置，其中下标为15的存储着1， 而所有其他的都应该是0. • LUT可以被编程和重编程，这样就可以改变其实现 的功能
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四输入奇偶校验的LUT实现
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例子
• F(A,B,C) = A’B’C + AB’C + ABC • 它如何在PLA中实现呢？
6
PLD器件的种类
• CPLD (Complex Programmable Logic Device) 由多个PLA组成，并且拥有一定的互联结构， 从而构成更复杂的逻辑。 • FPGA (Field Programmable Gate Array)采用了 类似RAM的结构，实现了LUT (Lookup Table) 这样更小的逻辑单元，同时集成了更多的 内存单元。
Multiply-Add
PLL
Double-Data Rate
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基于Quartus的FPGA 设计流程
• 定义一个新的工程，使用VHDL、Verilog或者AHDL 导入设计。同时也可以采用原理图进行设计，他 们会在后台被转化成对应的HDL。
• 对于设计进行编译和仿真。发现时序上的错误， 进行功耗和性能的估算。 • 使用下载器，下载设计到FPGA器件
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Altera Design 软件简介
• 软件与开发工具:
– Quartus II
• Stratix II, Stratix, Stratix GX, Cyclone, APEX II, APEX 20K/E/C, Excalibur, & Mercury Devices • FLEX 10K/A/E, ACEX 1K, FLEX 6000, MAX 7000S/AE/B, MAX 3000A Devices
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PLD器件种类
• PLA (Programmable Logic Array) 是一种简单 的现场可编程器件他有一个AND plane紧跟 一个OR plane。这样的设计的理论依据是任 何一个逻辑函数都可以写成积之和(Sum of Products)的形式。这样的函数可以被理解为 一系列的与门的结果被汇集到一个非门中 相加。
• 可配置性能和在线重配置特性使得越来越多的工 程师把目光投向FPGA。 • 更重要的是使用FPGA设计你可以立即在标准的器 件上进行开发，这大大降低了开发的风险和投入， 加快了产品上市的进度。
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可编程器件及其优势
• 与可编程器件相比，ASIC (Application Specific Integrated Circuit) 的设计周期相对较长，同时在修 改设计时需要花费更多的费用。 • 当然ASIC也有其优势，在大量的应用中ASIC容易获 得更高的速度，更低的功耗，以及更低的价格。 • 可编程器件非常适合中低量的产品，对于大批量 的产品，ASIC或者Hard Copy技术或许是更好的选 择。 • 新一代的FPGA在功耗和成本上获得了更好的控制， 把FPGA推向了更广阔的应用领域