为何、如何学习FPGA

本文是即将出版的大二“《电子技术基础（数字部分）》同步学习”配套教材——《HDL与可编程逻辑器件》的序言。

随着半导体和嵌入式系统应用技术的高速发展，FPGA已经被广泛地应用于各行各业，无论是家用电器、智能玩具、数码产品，还是通信行业、工业自动化、汽车 电子、医疗器械等领域无处不在。从1985年第一颗FPGA诞生至今，FPGA已经过去了20多个年头，从当初集成几百个门电路到现在的几百万门、几千万 门……，从原来的上千元的天价到现在几元的超低价，发生了翻天覆地的变化，所以当前正是学习FPGA的最好时机。无论是社会的需求也好，还是技术的成熟度 也好，已经达到了前所未有的高度，初学者可以花更少的成本，并以最快的速度掌握一种处于前沿的新技术，无论是对就业还是对未来的发展具有极其重要的意义和 价值。

本书从初学者的立场出发，为广大初学者提供了一个FPGS入门学习平台，以深入浅出的方式介绍FPGA的基本原理、Verilog语言和应用设计。但作为一个FPGA的初学者必须先了解以下几个问题：何为FPGA？为什么要学习FPGA？如何学习FPGA？

1.何为FPGA？
FPGA是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是Ross Freema于1985年发明的，当时第一个FPGA采用2μm工艺，包含64个逻辑模块和85000个晶体管，门数量不超过1000个，当时他所创造的 FPGA被认为是一项不切实际的技术，他的同事Bill Carter曾说：“这种理念需要很多晶体管，但那时晶体管是非常珍贵的东西。”所以人们认为Ross的想法过于脱离现实。但是Ross预计：根据摩尔定 律（每18个月晶体管密度翻一翻），晶体管肯定会越来越便宜，因此它必将成为未来不可或缺的技术。在短短的几年时间内，正如Ross所预言的，出现了数十 亿美元的现场可编程门阵列（FPGA）市场。但可惜的是，他已经无法享受这一派欣欣向荣的景象，Ross Freeman在1989年已经与世长辞了，但是它的发明却持续不断地促进电子行业的进步与发展。

我们知道构成数字逻辑系统最基本的单元是与门、或门、非门等，而门电路是由用二极管、三极管和电阻等元件构成的，然后与门、或门、非门又构成了各种 触发器实现状态记忆。FPGA同样也属于数字逻辑电路的一种，也是由最基本的元件构成的。一片FPGA可以在内部集成上亿个门电路，打破了以往使用数量繁 多分立器件实现电子装置的历史，不仅电路面积、成本大大减小，而且可靠性得到了大幅度的提升。

一般来说，FPGA内部是由最小的物理逻辑单位LE、布线网络、输入输出模块与片内外设组成的，而最小物理逻辑单元是指用户无法修改的、固定的最小 单元，设计者只能将这些单元通过互联线将其连接起来，然后实现特定的功能。一个LE是由触发器、LUT与控制逻辑组成的，从而同样可以实现组合逻辑和时序 逻辑。

随着FPGA集成度的不断增加，其内部的片内外设也越来越多，可集成SRAM、Flash、AD、RTC等外设，真正用单芯片方案完成系统设计，所 以我们所理解的FPGA最底层是一些实实在在的门电路构成的，然后由门电路构成最小的物理逻辑单元，然后再通过布线层将这些最小物理逻辑单元连接成用户需 要的特定功能，我们所需要控制的仅仅是布线层之间的互连开关，这也是我们编程的对象，通过这些开关来改变功能。

FGPA按工艺分主要有SRAM工艺和Flash工艺（工艺是针对它们的编程开关来说的）两类，基于SRAM工艺的FPGA最大的缺点是掉电数据会 丢失无法保存，所以由FPGA构成的系统，外部还需要增加一个配置芯片用于保存编程数据，在系统每次上电时都需要从配置芯片中将配置数据流加载到FPGA 中，然后才能正常地运行，其优点是灵活性很强。而基于Flash架构的FPGA在掉电后不会丢失数据，无需配置芯片，上电即可运行，其特点非常类似 ASIC，但却比ASIC更加灵活可以重复编程。由此可见如果用基于Flash架构的FPGA来取代ASIC的话，不仅风险大大降低，而且成本也会大幅度 地下降。

2. 为什么要学习FPGA？

FPGA从诞生以来经历了从配角到主角的转变，FPGA主要用于取代复杂的逻辑电路，现在重点强调平台概念，当集成数字信号处理器、嵌入式处理器、 高速串行和其它高端技术后，从而被应用到更多的领域，正因为其飞速的发展，让更多学FPGA的人看到了希望，其广阔的前景正是我们选择的原因之一。

（1）广阔的发展前景

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