FPGA是什么

FPGA是基于PAL、GAL等可编程器件进一步发展的产物。它作为一种半定制电路出现在专用集成电路(ASIC)领域，既克服了定制电路的缺点，又克服了原有可编程器件中门电路数量有限的缺点。

FPGA(现场可编程门阵列)是基于PAL、GAL等可编程器件进一步发展的产物。它作为一种半定制电路出现在专用集成电路(ASIC)领域，既克服了定制电路的缺点，又克服了原有可编程器件中门电路数量有限的缺点。

简介

FPGA设计不是简单的芯片研究，主要是利用FPGA模式来设计其他行业的产品。与ASIC不同，FPGA广泛应用于通信行业。通过对全球FPGA产品市场和相关供应商的分析，结合我国目前的实际情况和国内领先的FPGA产品，可以找到未来相关技术的发展方向，对我国科技水平的整体提升起到非常重要的推动作用。

与传统的芯片设计相比，FPGA芯片并不局限于研究和设计，而是可以针对很多领域的产品通过特定的芯片模型进行优化。从芯片器件的角度来看，FPGA本身构成了半定制电路中典型的集成电路，包括数字管理模块、嵌入式单元、输出单元和输入单元等。在此基础上，有必要对FPGA芯片进行全面的芯片优化设计，通过改进目前的芯片设计来增加新的芯片功能，从而简化芯片的整体结构，提高其性能。

基本结构

FPGA器件是专用集成电路中的一种半定制电路，是一种可编程逻辑阵列，可以有效解决原器件门电路少的问题。FPGA的基本结构包括可编程输入输出单元、可配置逻辑块、数字时钟管理模块、嵌入式块RAM、布线资源、嵌入式专用硬核、底层嵌入式功能单元。FPGA以其丰富的布线资源、可重复编程、集成度高、投资少等优点，在数字电路设计领域得到了广泛的应用。FPGA设计过程包括算法设计、代码仿真与设计、板级调试，设计师与实际需求建立算法架构，利用EDA建立设计方案或HD编写设计代码，通过代码仿真保证设计方案满足实际需求，最后进行板级调试，利用配置电路将相关文件下载到FPGA芯片验证实际运行效果。

操作原理

现场可编程门阵列采用逻辑单元阵列的概念，包括CLB可配置逻辑块、输入输出块和互连。现场可编程门阵列(FPGA)是一种可编程器件。与传统的逻辑电路和门阵列(如PAL、GAL、CPLD器件)相比，FPGA具有不同的结构。FPGA采用小型查找表(16×1RAM)实现组合逻辑。每个查找表连接到D触发器的输入端，D触发器又驱动其他逻辑电路或输入输出，从而构成基本的逻辑单元模块，可以实现组合逻辑和时序逻辑功能。这些模块通过金属线相互连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过将编程数据加载到内部静态存储单元来实现的。存储在存储单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能和模块之间或模块与I/O之间的连接方式，最终决定了FPGA能够实现的功能。FPGA允许无限制编程。

芯片设计

与其他种类的芯片设计相比，FPGA芯片通常需要设置更高的阈值，并制定严格的基本设计流程。具体来说，设计时要紧密结合FPGA的相关原理图，实现大规模的专用芯片设计。通过使用Matlab和C语言特有的设计算法，应该可以实现全方位的平滑转换，从而保证符合当前主流的芯片设计思路。在这个前提下，如果选择上述设计思路，通常需要重点关注各种组件和相应设计语言的有序集成，从而保证芯片编程具有较强的易用性和可读性。使用FPGA可以实现触发器的调试、代码模拟等相关设计操作，保证目前的代码编写方法和设计方案能够满足具体的设计要求。另外，应将合理性放在设计算法的首位，以达到优化的项目设计效果，优化芯片运行的有效性。所以作为一个设计者，第一步就是构建一个具体的算法模块来完成芯片代码设计。这是因为预先设计的代码有助于确保算法的可靠性，并可以显著优化整体芯片设计效果。在全面完成板载计算机的调试和模拟测试的前提下，应该可以从根本上缩短整个芯片设计的消耗周期，同时致力于现有硬件整体结构的优化。比如说到开发一些非标准的硬件接口，通常会用到上面提到的新产品设计模式。

FPGA设计的主要难点是熟悉硬件系统和内部资源，保证设计语言能够实现组件间的有效协作，提高程序的可读性和利用率。这也对设计师提出了更高的要求，只有从多个项目中积累经验，才能满足相关要求。

在算法设计中，要注重合理性，保证项目最终完成，并根据项目实际情况提出问题解决方案，以提高FPGA的运行效率。确定算法后，要合理构造模块，方便后期代码设计。预先设计的代码可以用于代码设计，以提高工作效率和增强可靠性。编写测试平台，进行代码模拟测试和类调试，完成整个设计过程。与ASIC不同，FPGA开发周期短，可以根据设计要求改变硬件结构。可以帮助企业在通信协议不成熟的情况下快速推出新产品，满足非标准接口开发的需求。

优点和缺点

优势

FPGA的优点如下:

(1) FPGA由逻辑单元、RAM、乘法器等硬件资源组成。通过合理组织这些硬件资源，可以实现乘法器、寄存器、地址发生器等硬件电路。

(2) FPGA可以用框图或Verilog HDL设计，从简单的门电路到FIR或FFT电路。

(3) FPGA可以无限重编程，加载一个新的设计方案只需要几百毫秒。硬件开销可以通过重新配置来减少。

(4)FPGA的工作频率是由FPGA芯片和设计决定的，通过修改设计或者更换更快的芯片可以满足一些苛刻的要求(当然工作频率不是无限制的，可以提高，但是受到目前IC工艺等因素的限制)。

设计语言和平台

可编程逻辑器件是通过EDA技术实现电子应用系统既定功能和技术指标的硬件载体。FPGA作为实现这种方式的主流设备之一，具有直接面向用户、灵活性和通用性强、使用方便、硬件测试和实现快速等特点。

硬件描述语言(HDL)是一种用于设计数字逻辑系统和描述数字电路的语言。常用的有VHDL、Verilog HDL、System Verilog、System C。

VHDL作为全方位的硬件描述语言，具有独立于特定硬件电路和设计平台的特点，具有描述能力广、独立于特定设备、能够用严谨简洁的代码描述复杂控制逻辑的设计等优点。它得到了许多EDA公司的支持，并在电子设计领域得到了广泛的应用。

VHDL是电路设计的高级语言。与其他硬件描述语言相比，VHDL具有语言简洁、灵活性强、不依赖器件设计等特点，使其成为EDA技术的通用硬件描述语言，使EDA技术更容易被设计者掌握。

Verilog HDL是一种广泛使用的硬件描述语言，可用于硬件设计过程的建模、综合、仿真等阶段。

Verilog HDL的优点:类似c语言，使用方便，灵活。区分大小写。在写作动机和造型上有优势。缺点:编译时很多错误找不到。

VHDL的优点:语法严谨，层次结构清晰。缺点:熟悉度长，不灵活。

Quartus _ ⅱ软件是Altera公司开发的一个完整的多平台设计环境，可以满足各种FPGA和CPLD的设计需求，是一个用于片上可编程系统设计的综合环境。

Vivado设计套件是FPGA厂商Xilinx(2012)发布的集成设计环境。包括从系统级到IC级的高度集成的设计环境和新一代工具，基于共享的可扩展数据模型和通用调试环境。Xilinx Vivado设计套件提供了FIFO IP核，可以轻松应用于设计。

行业应用

视频分割系统

近年来，大型通用控制系统得到了广泛的应用，相关的视频分割技术也在逐步完善。这种技术使用多屏拼接显示来显示所有的视频信号，广泛应用于一些需要使用大屏幕显示的场景。

随着技术的发展，视频分割技术逐渐成熟，满足了人们对清晰视频图像的基本需求。FPGA芯片有特殊的硬件结构。它可以使用预先编辑好的逻辑结构文件来调整内部结构，使用约束文件来调整不同逻辑单元的连接和位置，并适当处理数据线路径。其自身的灵活性和适应性，方便用户开发应用。FPGA芯片在处理视频信号时，可以充分利用自身的速度和结构优势，实现乒乓技术和流水线技术。在外部连接的过程中，芯片采用数据并行连接的方式，利用内部逻辑功能，拓宽了图像信息的位宽，提高了图像处理的速度。通过缓存结构和时钟管理实现对图像处理等设备的控制。在整体设计结构中，FPGA芯片处于核心位置，复杂数据的插值处理、提取和存储也起到整体控制的作用，保证系统的稳定运行。此外，视频信息处理不同于其他数据处理，它要求芯片具有特殊的逻辑单元和RAM或FIFO单元，以保证足够的数据传输速度。