FPGA 是什么？一篇详细介绍 – wiki基地

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FPGA：揭开现场可编程门阵列的神秘面纱

在现代电子技术的浩瀚世界中，芯片（集成电路，IC）扮演着无可替代的核心角色。它们是各种电子设备的大脑和神经系统，从我们手中的智能手机到复杂的工业自动化设备，无处不在。这些芯片形态各异，功能万千，其中，FPGA（Field-Programmable Gate Array），即现场可编程门阵列，是一种尤其引人注目、功能强大且应用广泛的芯片类型。它不像传统的微处理器那样执行预设的指令集，也不像专用集成电路（ASIC）那样功能固化，而是以其独特的“可编程”特性，为数字电路设计带来了前所未有的灵活性和并行处理能力。

那么，FPGA 到底是什么？它与我们更熟悉的 CPU 或 ASIC 有何不同？它的内部结构是怎样的？又是如何工作的？本文将深入探讨这些问题，带您详细了解 FPGA 的世界。

第一部分：FPGA 的基本概念与定义

FPGA，Field-Programmable Gate Array，直译过来就是“现场可编程门阵列”。顾名思义，它的核心特性在于其“现场可编程性”和“门阵列”的结构。

1. Field-Programmable (现场可编程): 这是 FPGA 最重要的特征。这意味着FPGA的功能不是在芯片制造过程中固定的，而是在用户拿到芯片后，可以在“现场”（即用户自己的开发板或系统中）通过编程来定义其内部电路连接和逻辑功能。这种编程能力使得同一块 FPGA 芯片可以实现截然不同的数字电路功能，极大地提高了设计的灵活性和迭代速度。与需要送到晶圆厂进行光刻制造才能改变功能的 ASIC 不同，FPGA 的编程过程通常只需要几分钟或几秒钟。

2. Gate Array (门阵列): 早期数字逻辑芯片的基础是逻辑门（如AND, OR, NOT, XOR等）。门阵列是一种集成电路架构，其中包含大量的未连接的逻辑门和其他基本电路单元，设计者可以通过连接这些单元来实现特定的逻辑功能。FPGA 沿用了“门阵列”的概念，但其基础逻辑单元比简单的逻辑门更为复杂和灵活，通常是查找表（Look-Up Table, LUT）和触发器（Flip-Flop）的组合，我们将在后续架构部分详细阐述。这些基本单元按照阵列排布，并通过可编程的互连资源连接起来。

综合起来，FPGA 是一种包含大量可编程逻辑单元和可编程互连资源的半导体器件。用户可以通过下载一个配置文件（称为“位流”或 Bitstream）来配置这些逻辑单元的功能和它们之间的连接方式，从而在芯片上实现任何所需的数字逻辑电路。

FPGA 与其他数字芯片的对比：

为了更好地理解 FPGA 的独特之处，将其与微处理器（CPU）和专用集成电路（ASIC）进行比较非常有益。

• FPGA vs. CPU (中央处理器):

  • 工作原理: CPU 是基于指令集的。它顺序地从内存中读取指令，然后执行这些指令（如加法、数据移动、跳转等）。CPU 的功能是通过软件程序定义的。
  • 结构: CPU 包含固定的算术逻辑单元（ALU）、控制单元、寄存器、缓存等。其硬件结构是固定的。
  • 处理方式: CPU 是串行执行任务的，即使是多核 CPU，也是通过在不同核心上运行多个指令流来实现并行，其核心逻辑单元是复用的。
  • 灵活性: 软件层面的灵活性极高，可以通过更改程序实现各种功能。
  • 性能: 通用性强，但对于特定并行计算任务，性能可能受限于时钟频率和指令执行效率。延迟通常较高，因为指令需要经过多个时钟周期才能完成。
  • FPGA 的优势: FPGA 是基于硬件结构的。用户直接构建并行硬件电路。它可以为不同的任务分配独立的硬件资源，实现真正的硬件级并行处理。对于数据流处理、信号处理等需要大规模并行计算和低延迟的应用，FPGA 通常比 CPU 性能更优。其延迟可以非常低，因为数据直接通过组合逻辑电路传递。
  • FPGA 的劣势: FPGA 的编程（硬件设计）比 CPU 软件编程更复杂。

• FPGA vs. ASIC (专用集成电路):

  • 工作原理: ASIC 是为特定用途设计的芯片，其功能在芯片制造过程中完全固化。一旦制造完成，其内部电路就不能改变。
  • 结构: ASIC 的内部结构是根据特定功能需求定制的，可以高度优化以实现性能、功耗和成本目标。
  • 处理方式: 与 FPGA 类似，ASIC 也是硬件电路，可以实现高度并行和低延迟的处理。
  • 灵活性: 极低，功能完全固定。
  • 性能: 在实现特定功能时，ASIC 通常能达到比 FPGA 更高的时钟频率、更低的功耗和更小的芯片面积，是性能最优解。
  • FPGA 的优势: 可编程性是最大的优势。无需承担巨额的非经常性工程费用（NRE Cost，主要是掩膜版费用）和漫长的流片周期。设计和验证周期短，可以快速迭代和修改设计，非常适合原型验证、小批量生产、需要频繁升级或标准未定的应用。
  • FPGA 的劣势: 相较于同等工艺和复杂度的 ASIC，FPGA 的单位成本（特别是大批量时）更高、功耗更大、最高时钟频率较低、逻辑密度通常也较低（因为可编程互连需要占用大量面积）。

总结来说，FPGA 介于 CPU 的软件灵活性和 ASIC 的硬件性能之间。它提供了比 CPU 高得多的并行度和硬件定制能力，同时避免了 ASIC 高昂的开发成本和漫长周期。它是一种兼具灵活性、性能和相对较低开发成本的解决方案。

第二部分：FPGA 的内部架构

要理解 FPGA 如何实现其可编程性，必须了解其内部的基本组成部分。虽然不同厂商（如 Xilinx, Intel/Altera, Lattice, Microchip）和不同型号的 FPGA 架构有所差异，但核心组件是相似的。一个典型的 FPGA 架构主要包含以下几个部分：

1. 可编程逻辑单元 (Programmable Logic Blocks):

   • 这是 FPGA 的核心计算单元，通常被称为逻辑单元 (Logic Cell) 或复杂逻辑块 (Complex Logic Block, CLB) 或逻辑阵列块 (Logic Array Block, LAB)。
   • 每个逻辑单元包含以下关键组件：
     • 查找表 (Look-Up Table, LUT): LUT 是 FPGA 实现组合逻辑功能的基础。它本质上是一个小型存储器（SRAM），其地址线连接到逻辑单元的输入信号，存储的数据是输入信号所有可能组合对应的输出值。例如，一个 4 输入的 LUT（LUT4）就是一个有 4 个地址线（16个地址）和 1 个数据输出的 16×1 bit 的 SRAM。通过在编程时将某个特定组合逻辑函数的真值表预先写入这个 SRAM 中，LUT 就可以实现该函数。改变函数只需改变 SRAM 中的内容。LUT 的输入数量（如 4输入、6输入等）决定了它能实现多复杂的组合逻辑。现代 FPGA 的 LUT 通常是 6 输入甚至更多，有时一个逻辑单元包含多个 LUT。
     • 触发器 (Flip-Flop, FF) 或寄存器 (Register): 触发器是实现时序逻辑（存储状态）的基础单元。每个逻辑单元通常包含一个或多个触发器，其数据输入可以来自 LUT 的输出，时钟信号由全局或本地时钟网络提供。触发器允许电路在时钟的控制下存储中间结果或状态信息，实现寄存、计数、移位等功能。
     • 进位链 (Carry Chain): 为了高效地实现加法、减法等算术运算，逻辑单元通常包含专门的硬连线进位逻辑。这使得跨多个逻辑单元的加法器能够快速传播进位信号，避免了通过普通可编程互连带来的延迟。
     • 多路选择器 (Multiplexer, MUX): 用于在不同的逻辑路径之间进行选择，将多个输入中的一个路由到输出。

2. 可编程互连资源 (Programmable Interconnect Resources):

   • 这些是连接逻辑单元、输入/输出块以及其他专用资源的“线路”和“开关”。它们是实现“可编程”的关键所在。
   • 互连资源由大量的导线（布线通道）和位于这些导线交叉点或连接点上的可编程开关组成。
   • 布线通道 (Routing Channels): 包含不同长度和速度的金属布线。有短线用于连接相邻单元，长线用于跨越芯片的长距离连接，以及专门的全局布线用于时钟和复位信号。
   • 可编程开关 (Programmable Switches): 这些开关（通常是基于 SRAM 控制的晶体管）决定了哪些导线可以连接到哪些逻辑单元的输入/输出端口或连接到其他导线。FPGA 的配置位流主要就是用来控制这些开关的状态，从而建立起所需的电路连接。
   • 互连资源的数量、速度和灵活性是衡量 FPGA 性能和布线能力的重要指标。高度灵活的互连提供了极大的布线自由度，但也占用了大量的芯片面积和功耗。

3. 输入/输出块 (Input/Output Blocks, IOBs):

   • IOBs 位于 FPGA 芯片的边缘，负责处理芯片内部逻辑与外部世界之间的信号交互。
   • 它们连接到芯片的引脚 (Pins)，并提供电平转换、驱动能力、阻抗匹配、以及支持不同的I/O标准（如 LVCMOS, LVDS, DDR等）。
   • IOBs 通常也包含触发器，用于在输入端对外部异步信号进行同步（避免亚稳态）或在输出端寄存数据以满足时序要求。
   • 高性能的 FPGA 通常包含支持高速串行通信的收发器 (Transceivers) 或串行器/解串器 (Serializer/Deserializer, SerDes)，这些也是集成在 IOB 区域或紧邻 IOBs。

4. 专用硬核 (Dedicated Hard Cores):

   • 为了提高特定功能的性能和效率，现代 FPGA 通常集成了专门设计的硬件模块，这些模块是“硬核”，其功能是固定的，不像逻辑单元那样可编程。使用硬核可以节省可编程逻辑资源，提高速度，降低功耗。常见的硬核包括：
     • 块 RAM (Block RAM, BRAM): 专用的存储器块，用于实现高速、大容量的片上存储。它们比使用可编程逻辑单元构建的存储器更高效。
     • 数字信号处理器切片 (DSP Slices): 专用于执行乘法、加法、乘加等算术运算的硬件单元，广泛应用于数字信号处理、图像处理等领域。它们通常包含乘法器、加法器和累加器，并且是流水线化的，能以很高的速度执行复杂运算。
     • 时钟管理单元 (Clock Management Tiles, CMT) 或锁相环 (PLL) / 延迟锁定环 (DLL): 用于生成、分配和管理芯片内部的时钟信号。它们可以倍频、分频、相移或去抖动时钟，为不同的逻辑模块提供所需的时钟信号，是确保时序正确性的关键。
     • 处理器硬核: 一些高级 FPGA（称为 SoC FPGA，System-on-Chip FPGA）甚至集成了微处理器硬核，如 ARM Cortex-A 系列。这使得 FPGA 既能进行硬件加速又能运行操作系统和软件，形成一个强大的异构计算平台。
     • PCI Express (PCIe) 控制器、以太网 MAC 等: 用于支持标准高速接口的硬核。

FPGA 的配置：

如前所述，FPGA 的可编程性是通过加载一个配置文件（Bitstream）来实现的。这个 Bitstream 是一个二进制文件，包含了配置所有可编程逻辑单元（LUT 的内容、触发器的设置）和可编程互连开关的信息。

FPGA 的配置存储通常是基于 SRAM 的。这意味着每次上电时，FPGA 的配置信息都会丢失，需要从外部非易失性存储器（如配置 Flash）重新加载。FPGA 内部有一个配置控制器，负责在系统上电或复位后，自动或通过外部指令从指定的配置源读取 Bitstream 并将其加载到内部的 SRAM 单元中，从而激活定制的硬件电路。一些较旧或特定类型的 FPGA 使用基于熔丝或反熔丝的技术，一旦配置就无法更改，但现代主流 FPGA 绝大多数都是基于 SRAM 的可重复配置类型。

第三部分：FPGA 的设计流程

与编写软件程序或设计固化功能的 ASIC 不同，FPGA 的设计流程有其独特性。它是一个硬件设计过程，通常涉及以下主要步骤：

1. 设计输入 (Design Entry):

   • 这是描述期望实现的硬件功能的过程。最常见的方法是使用硬件描述语言 (Hardware Description Language, HDL)。
   • 主流的 HDL 有两种：VHDL (VHSIC Hardware Description Language) 和 Verilog HDL。这两种语言都可以用来描述数字电路的结构和行为。设计师用这些语言编写代码，描述逻辑门、寄存器、有限状态机、算术单元等电路模块，以及它们之间的连接关系。
   • 也可以使用原理图输入，但对于大型复杂设计，HDL 更为高效和可维护。
   • 近年来越来越流行的高级综合 (High-Level Synthesis, HLS) 工具允许设计者使用更抽象的语言（如 C, C++ 或 SystemC）来描述算法，然后由工具自动将其转换为 HDL 代码，提高设计效率，但生成的硬件通常不如手动编写的 HDL 代码优化。

2. 功能仿真 (Functional Simulation):

   • 在将设计下载到 FPGA 硬件之前，必须验证其逻辑功能是否正确。这一步使用仿真工具（如 ModelSim, QuestaSim, VCS, Vivado Simulator, Quartus Simulator）来模拟 HDL 代码的行为。
   • 设计者编写测试平台 (Testbench)，生成输入激励信号，观察设计的输出响应，并与期望结果进行比较，以确保逻辑行为符合设计规格。这一步不考虑实际硬件的延迟。

3. 逻辑综合 (Logic Synthesis):

   • 综合工具（Synthesis Tool）将 HDL 代码转换为一个由基本逻辑门、触发器、存储器等标准单元组成的网表 (Netlist)。这个网表是独立于具体 FPGA 器件的，描述了设计的逻辑连接关系。
   • 综合工具会根据设计者的约束（如时钟频率目标、面积或功耗限制）对逻辑进行优化。

4. 实现 (Implementation) 或 布局布线 (Place & Route):

   • 这是将综合后生成的网表映射到目标 FPGA 器件上的过程，由实现工具（Implementation Tool）完成。
   • 映射 (Mapping): 将网表中的逻辑单元映射到 FPGA 芯片上的具体可编程逻辑单元（CLBs/LABs）、BRAMs、DSP Slices 等资源上。
   • 布局 (Place): 决定每个逻辑单元在 FPGA 芯片上的物理位置。好的布局可以缩短信号线长度，有利于后续布线和满足时序。
   • 布线 (Route): 根据布局结果，利用 FPGA 的可编程互连资源（导线和开关）连接各个逻辑单元、IOBs 和专用资源的输入输出端口，从而实现网表中的连接关系。这是整个设计流程中最复杂、耗时也最关键的步骤之一，直接影响设计的性能和资源利用率。

5. 时序分析 (Timing Analysis):

   • 布局布线完成后，工具可以精确计算出信号在芯片内部传播的延迟。时序分析工具会检查设计中所有重要的时序路径（如时钟同步路径、异步输入、输出路径），验证它们是否满足时序约束（如建立时间 Setup Time, 保持时间 Hold Time）。
   • 如果设计不能满足时序要求（即“时序违例”），设计者需要修改设计、调整约束、或尝试不同的实现策略，然后重新进行实现和时序分析，直到所有时序要求都满足。这通常是 FPGA 设计中最具挑战性的部分。

6. 时序仿真 (Timing Simulation):

   • 在满足时序要求后，可以进行包含实际延迟信息的仿真，称为时序仿真或门级仿真。这能更准确地预测设计在硬件上的行为，尤其是在高速设计中验证时序是否真的收敛。然而，时序仿真速度很慢，且往往被静态时序分析所取代。

7. 生成位流 (Generate Bitstream):

   • 一旦设计通过了时序验证，实现工具会生成一个二进制文件——位流 (Bitstream)。这个文件包含了配置目标 FPGA 芯片的所有信息，包括 LUT 的内容、触发器的配置、互连开关的状态等。

8. 配置 FPGA (Configure FPGA):

   • 将生成的位流文件下载到 FPGA 芯片中。这通常通过 JTAG 接口、串行或并行接口完成。如前所述，对于基于 SRAM 的 FPGA，配置信息会加载到内部的配置存储器中，立即激活定制的硬件电路。

9. 硬件验证 (Hardware Verification) 或 在系统调试 (In-System Debugging):

   • 将配置好的 FPGA 放在目标硬件平台上，进行实际的功能测试和调试。由于硬件设计比软件调试困难得多，通常需要使用逻辑分析仪、示波器、以及FPGA厂商提供的片上调试工具（如 Xilinx ChipScope/Integrated Logic Analyzer, Intel SignalTap II）来观察内部信号的状态，定位问题。

整个 FPGA 设计流程是一个迭代的过程，特别是时序分析和硬件验证阶段，可能需要多次修改设计或约束，然后重新进行实现。

第四部分：FPGA 的优势与劣势总结

优势：

• 灵活性与可重构性： 这是 FPGA 最突出的优势。可以快速修改、升级或完全改变硬件功能，无需更换芯片。
• 并行处理能力： 可以为不同的任务分配独立的硬件资源，实现大规模的硬件级并行计算，远超 CPU 的软件并行。
• 高性能与低延迟： 对于特定的计算密集型任务，FPGA 可以实现比 CPU 高得多的处理速度和极低的确定性延迟，因为数据直接流经定制的硬件电路。
• 缩短开发周期： 相较于 ASIC，FPGA 的设计、验证和原型制造周期大大缩短，无需流片过程。
• 较低的非经常性工程费用 (NRE Cost)： 不需要昂贵的掩膜版费用，启动成本较低。
• 适合原型验证： 是验证 ASIC 设计或新算法硬件实现的可行性的理想平台。
• 应对标准变化： 在新兴技术领域，标准可能尚未完全确定，FPGA 的可编程性使其成为灵活应对标准变化的理想选择。

劣势：

• 单位成本较高： 相较于大批量生产的 ASIC，FPGA 的单位芯片成本通常更高。
• 功耗较大： 可编程互连和逻辑单元为了实现灵活性，通常比同等工艺和功能的 ASIC 消耗更多电力。
• 逻辑密度相对较低： 为了容纳可编程互连，FPGA 的有效逻辑门密度通常低于 ASIC。
• 最高时钟频率较低： 信号通过可编程互连的延迟通常高于硬连线，限制了 FPGA 的最高工作频率（尽管现代 FPGA 集成的硬核可以运行在很高频率）。
• 设计复杂性： FPGA 设计涉及硬件描述和时序收敛等挑战，与软件开发是不同的思维模式，学习曲线较陡。
• 面积效率较低： 实现相同功能所需的芯片面积通常比 ASIC 大。

第五部分：FPGA 的主要应用领域

凭借其独特的优势，FPGA 在众多领域得到了广泛应用：

• 数字信号处理 (DSP)： 由于其强大的并行乘加能力（DSP Slices），FPGA 在音频、视频、雷达、声纳等信号处理领域非常流行，可以实现高速傅里叶变换 (FFT)、滤波器、调制解调等。
• 通信与网络： FPGA 用于实现高速接口协议、数据包处理、基站（如 4G/5G）、交换机、路由器等设备中的关键功能，满足高带宽和低延迟需求。
• 图像与视频处理： 在图像采集、实时滤镜、编解码、模式识别等方面，FPGA 可以高效并行处理像素数据流。
• 高精度控制系统： 在机器人、自动化生产线、航空航天、医疗设备中，FPGA 用于实现高速、确定性的运动控制、数据采集和算法执行。
• 高性能计算 (HPC) 与数据中心加速： FPGA 被用作协处理器，加速特定的计算任务，如机器学习推理、数据分析、基因组测序、金融计算等，分担 CPU 的计算负担。
• ASIC 原型验证与仿真加速： 在设计复杂的 ASIC 之前，常常将设计移植到大型 FPGA 原型平台上进行功能验证和性能评估，大大降低 ASIC 设计的风险。
• 测试与测量设备： FPGA 的灵活性和高速 I/O 使其成为示波器、信号发生器、协议分析仪等测试设备的核心组件。
• 汽车电子： 用于高级驾驶辅助系统 (ADAS)、车载信息娱乐系统、动力总成控制等，需要实时处理和高可靠性。
• 航空航天与国防： FPGA 因其可重构性和在恶劣环境下工作的能力，广泛应用于卫星、雷达、电子对抗等领域。
• 医疗设备： 用于医学影像、诊断仪器等，需要高精度和实时处理能力。

第六部分：FPGA 的发展趋势与未来展望

FPGA 技术一直在不断进步。随着半导体工艺的演进，现代 FPGA 集成了越来越多的资源和更高级的功能：

• 更高的容量和性能： 逻辑单元数量、存储容量和硬核性能不断提升，支持更复杂的设计。
• 集成硬核处理器 (SoC FPGA)： 将强大的 CPU 核（如 ARM Cortex-A）与 FPGA 可编程逻辑集成在同一芯片上，形成异构计算平台，兼具软件和硬件的优势。
• 高速收发器 (Transceivers)： 集成支持数十 Gbps 甚至更高速率的串行收发器，满足高速通信需求。
• 高级封装技术： 采用多芯片模块 (MCM)、2.5D/3D 封装等技术，集成不同类型的芯片（如 HBM 存储器），提高带宽和集成度。
• 更高级的设计工具和方法： HLS 工具越来越成熟，使得软件工程师也能更容易地利用 FPGA 的硬件并行能力；基于模型的开发和更高层次的抽象方法也在发展。
• 边缘计算和人工智能加速： 越来越多的 FPGA 被部署在边缘设备上，用于实时推理和数据处理。
• 云端 FPGA 服务： 云计算服务提供商提供 FPGA 实例，用户可以在云端租用 FPGA 资源进行计算加速。

未来，FPGA 将继续在需要高性能、低延迟和高灵活性的领域扮演重要角色。随着计算需求的不断增长和多样化，以及半导体工艺的进步，FPGA 的能力和应用范围将持续扩展。

结论

FPGA，现场可编程门阵列，是一种功能独特的集成电路。它通过大量的可编程逻辑单元和可编程互连资源，允许用户在硬件层面定义芯片的功能。与顺序执行指令的 CPU 不同，FPGA 实现的是定制的并行硬件电路；与功能固化的 ASIC 不同，FPGA 具备高度的灵活性和可重构性。这种特性使得 FPGA 在数字信号处理、通信、图像处理、高性能计算等众多领域成为实现高性能、低延迟和快速迭代的理想选择。

虽然 FPGA 的设计流程相对复杂，且在单位成本和功耗上与大批量 ASIC 存在差距，但其独特的价值——将硬件的性能和并行性与一定的软件式灵活性相结合——使其在快速发展的电子技术领域中占据着不可替代的地位。理解 FPGA 的工作原理和应用场景，对于深入了解现代数字系统和硬件加速技术至关重要。它不仅仅是一块芯片，更是一种强大的设计理念和灵活的计算平台。

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