FPGA

FPGA计算机1504班刘晨杰1511640410FPGA是英文Field－Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB、输出输入模块IOB和内部连线三个部分。

Verilog与VHDL语言用于FPGA。

Verilog HDL是目前应用最为广泛的硬件描述语言．Verilog HDL可以用来进行各种层次的逻辑设计，也可以进行数字系统的逻辑综合，仿真验证和时序分析等。

Verilog HDL适合算法级，寄存器级，逻辑级，门级和版图级等各个层次的设计和描述．Verilog HDL进行设计最大的优点是其工艺无关性．这使得工程师在功能设计，逻辑验证阶段可以不必过多考虑门级及工艺实现的具体细节，只需根据系统设计的要求施加不同的约束条件，即可设计出实际电路．Verilog HDL是一种硬件描述语言(hardware description language)，为了制作数字电路而用来描述ASICs和FPGA的设计之用。

Verilog 的设计者想要以C 编程语言为基础设计一种语言，可以使工程师比较容易学习。

而VHDL语言是一种用于电路设计的高级语言。

它在80年代的后期出现。

最初是由美国国防部开发出来供美军用来提高设计的可靠性和缩减开发周期的一种使用范围较小的设计语言。

VHDL翻译成中文就是超高速集成电路硬件描述语言，主要是应用在数字电路的设计中。

它在中国的应用多数是用在FPGA/CPLD/EPLD的设计中。

当然在一些实力较为雄厚的单位，它也被用来设计ASIC。

VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。

除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式、描述风格以及语法是十分类似于一般的计算机高级语言。

VHDL 的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分,及端口)和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。

在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。

这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL 系统设计的基本点。

这两种语言的共同点是都能形式化地抽象表示电路的结构和行为。

支持逻辑设计中层次与领域的描述。

可借用高级语言的精巧结构来简化电路的描述。

具有电路仿真与验证机制以保证设计的正确性。

支持电路描述由高层到低层的综合转换。

硬件描述与实现工艺无关。

便于文档管理，易于理解和设计重用。

而不同点Verilog和VHDL又各有其自己的特点。

由于VerilogHDL早在1983年就已退出，因而Verilog HDL拥有更广泛的设计群体，成熟的资源也远比VHDL丰富。

而掌握VHDL设计技术就比较困难。

因为VHDL很不直观，需要有Ada变成基础。

并且他们两个在行为级抽象建模的覆盖范围方面也有所不同。

一般认为Verilog在系统级抽象方面比VHDL略差一些，而在门级开关电路描述方面比VHDL强得多。

FPGA具有前仿真、后仿真、功能仿真、时序仿真、行为级仿真、RTL级仿真、综合后仿真、门级仿真、布局布线后仿真等。

Quartus和Modelsim是专门进行仿真的软件。

modelsim 是专门进行仿真的软件，可以分别进行前仿真和后仿真。

前仿真也称为功能仿真，主旨在于验证电路的功能是否符合设计要求，其特点是不考虑电路门延迟与线延迟，主要是验证电路与理想情况是否一致。

可综合FPGA代码是用RTL级代码语言描述的，其输入为RTL级代码与testbench。

后仿真也称为时序仿真或者布局布线后仿真，是指电路已经映射到特定的工艺环境以后，综合考虑电路的路径延迟与门延迟的影响，验证电路能否在一定时序条件下满足设计构想的过程，是否存在时序违规。

其输入文件为从布局布线结果抽象出来的门级网表、testbench和扩展为sdo或sdf的标准时延文件。

sdo、sdf的标准时延文件不仅包含门延迟，还包括实际布线延迟，能较好地反映芯片的实际工作情况。

一般来说后仿真是必选的，检查设计时序与实际的FPGA运行情况是否一致，确保设计的可靠性和稳定性。

FPGA可在Xilinx 和Aktera官网下载。

固定的或定制的逻辑器件通常称为专用芯片(ASIC)。

ASIC是为了满足特定的用途而设计的芯片，例如MP3解码芯片等。

其优点是通过固化的逻辑功能和大规模的工业化生产，降低了芯片的成本，同时提高了产品的可靠性。

随着集成度的提高，ASIC的物理尺寸也在不断的缩小。

但是，ASIC设计的周期很长，而且投资大，风险高。

一旦设计结束后，功能就固化了，以后的升级改版困难比较大。

电子产品的市场正在逐渐细分，为了满足快速产品开发，产生了现场可编程逻辑器件(FPGA)。

自1984年Xilinx公司推出了第一片现场可编程逻辑器件(FPGA)至今，FPGA已经历了20几年的快速发展历程。

特别是近几年来，更是发展迅速。

FPGA的逻辑规模已经从最初的1000个可用门发展到现在的1000万个可用门。

FPGA技术之所以具有巨大的市场吸引力，其根本原因在于：FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、投入少，芯片价格不断下降。

FPGA 正在越来越多地取代传统上ASIC，特别是在小批量、个性化的产品市场方面。

目前FPGA供货商全部来自美国公司，主要是Xinlinx、Altera、lattice等，其中以Xilinx 和Altera的市场占有率最大，是最大的可编程集成电路供应商。

1997年Xilinx推出了当时业内最大的XC4000系列。

因为应用了分短路由构架，缩短了互连线长度，比使用长线作互连线的非分段架构消耗较少电流，但更有效。

1998年Xilinx推出Virtex结构是XC4000系列和5层金属、0.25微米工艺技术结合的产物。

之后又推出Spartan系列FPGA。

而Altera1995年推出第一个带嵌入式存储器的FPGA，1996年第一个10万门嵌入式FPGA，2000年第一个0.15微米，全铜互连的FPGA，2001年第一个0.13微米FPGA。

2002年Stratix FPGAs，Stratix GX FPGAS，Cyclone FPGAs问世。

FPGA应用于电路设计，产品设计，系统级。

电路设计应用：接逻辑，控制逻辑是FPGA 早期发挥作用比较大的领域也是FPGA应用的基石．事实上在电路设计中应用FPGA的难度还是比较大的这要求开发者要具备相应的硬件知识（电路知识）和软件应用能力（开发工具）这方面的人才总是紧缺的，往往都从事新技术，新产品的开发成功的产品将变成市场主流基础产品供产品设计者应用在不远的将来，通用和专用IP的设计将成为一个热门行业！搞电路设计的前提是必须要具备一定的硬件知识．产品设计应用：把相对成熟的技术应用到某些特定领域如通讯，视频，信息处理等等开发出满足行业需要并能被行业客户接受的产品这方面主要是FPGA技术和专业技术的结合问题，另外还有就是与专业客户的界面问题产品设计还包括专业工具类产品及民用产品，前者重点在性能，后者对价格敏感产品设计以实现产品功能为主要目的，FPGA技术是一个实现手段在这个领域，FPGA因为具备接口，控制，功能IP，内嵌CPU等特点有条件实现一个构造简单，固化程度高，功能全面的系统产品设计将是FPGA技术应用最广大的市场。

系统级应用：系统级的应用是FPGA与传统的计算机技术结合，实现一种FPGA版的计算机系统如用Xilinx V-4,V-5系列的FPGA，实现内嵌POWER PC CPU,然后再配合各种外围功能，实现一个基本环境，在这个平台上跑LINUX等系统这个系统也就支持各种标准外设和功能接口，这对于快速构成FPGA大型系统来讲是很有帮助的。

这种"山寨"味很浓的系统早期优势不一定很明显，类似ARM系统的境况但若能慢慢发挥出FPGA的优势，逐渐实现一些特色系统也是一种发展方向。

其最新应用，北京时间2010年12月30日消息，美英两国科学家联合开发了一款运算速度超快的电脑芯片，使当前台式机的运算能力提升20倍。

前的个人电脑使用双核、4核、16核处理器来执行各项任务。

如今，美英研究人员开发的中央处理器(CPU)将1000个内核有效集成于一个芯片上。

这项突破或将在今后几年开启一个超高速运算的新时代，使家庭用户不再对运行缓慢的电脑系统感到沮丧。

虽然速度更快，但由于新型“超级”电脑的能耗远低于当前电脑，所以更加环保。

研究人员采用了一种名为“现场可编程门阵列”(以下简称“FPGA”)的芯片，使得微晶片就像都含有数百万个晶体管一样，而晶体管则是任何电路的基本组成部分。

不过，FPGA芯片可由用户安装到特定电路，它们的功能不是在出厂时就设定好的。

这样一来，用户可以将晶体管划分成一个个“小群体”，要求每个“小群体”完成不同的任务。

通过在FPGA芯片内创建逾1000个微电路，研究人员便将这个芯片变成了1000个内核的处理器——每个内核都可以遵照自己的指令工作。

当以65nm保持领先竞争优势的赛灵思FPGA以“赛灵思公司的主要文化在于创新”的指领下不断地加快发展步伐，试图取得更大的市场时，DSP也以其广泛的覆盖范围在3C （Communication、COMPUTER、Concumer-通信、计算机、消费类）领域大显身手，占整个市场需求的90%，而ASIC在遇到FPGA挑战现在仍然屹立不倒，让那些揣测ASIC会终结的市场分析人士也未能作出定论。

然而，市场机制决定的市场竞争是残酷而艰巨的，能否推出更新更优的产品，能否占有广大的市场空间，能否满足不断升级的客户的需求，无论对ASIC，对DSP，还是对FPGA，都是机遇和挑战并存的。

纵观各种产品的发展，无疑速度、功能、性能、价格是其发展的关键和动力所在，从７０年代的理论基础，到现在的不断改进，从产品的初步实现，到现在的纷纭变化，从产品的推广普及，到现在的异军突起，它们在各自的最初发展方向和发展目标上成为了这个时代引领潮流的顶尖技术，在特定的时间特定的领域内为我们的生活和工作提供了种种便利，也为各自的继续发展在寻找新的商机和新的技术开发层面。

从研发，从市场，从技术支持，到销售，到应用，到开拓创新，各个产品的各个运作层次的工作人员，都在积极努力，试图应对快速激烈的变化，在既相互合作又相互竞争的复杂关系中闯出自己的独特的风格，扩大自己占有的版图，抢占发展的先机，维持甚至改变三足鼎立的局面，以树立自己在这一领域的领导地位。