什么是FPGA

FPGA:Field(现场) Programmarble(可编程) Gate(逻辑门) Array(阵列),一种开发者在短时间内利用个人电脑就可以在其上面实现自己想要的功能,并且可以多次重写的廉价设备。

按照官方的解释,FPGA是一种在PAL、GAL、CPLD等传统逻辑电路和门阵列的基础上发展起来的一种半定制电路,主要应用于ASIC领域,既解决了半定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

一、FPGA的诞生

xilinx首创了FPGA这一创新性的技术并于1985年首次推出了商业化产品“CC2000”。

当时的半导体器件以CMOS LSI为主流,相继出现了大规模的逻辑系统。“门阵列”是当时讲逻辑系统LSI化的最简单方法?门阵列是指由半导体厂商准备出已经在硅片上形成了被称为基本单元的逻辑门的母板,通过按照用户希望的电路进行布线,在母板上形成电路的半客户定制品芯片。

另一方面,从PROM派生出来的现场可编程器件PLA(Programmable Logic Array)得到广泛应用。PLA为一个逻辑器件,用户进行现场编程。PLA是以集成结构为特征的逻辑LSI,它能通过与PROM程序相同的设备,写入连接信息。然后,EPROM和EEPROM之类的新设备相继出现,因为实用且容易使用而广受欢迎。然而,还是难以自由实现任意的大规模逻辑,他们都只能起到辅助作用。

在这样背景下出现的XC2000系列,是PLA领域第一款兼容现场可编程性和门阵列设计自由度的FPGA器件。

用户一旦创建了具有多个FPGA的原型板,就可以立即运行设计的新架构。而且,修正和更改规格也变得很轻松。FPGA使用灵活,适用性强的特征在通信/图像处理领域也大获好评,并将其应用于路由器等通信网络的各种设备中。

与ASIC的概念相反,FPGA的概念是在段时间能以低成本让用户得到想要的逻辑?

二、关于FPGA的编程技术

2000年初,SRAM是当时主流的FPGA技术。

20世纪80年代后期,“熔丝技术”和“反熔丝技术”盛行。但他们的弊端是不能重写,不能反复利用,价格高。

与此同时,CPLD(Complex PLD)发布了。这是一个通过将多个小型PLD集成到一个LSI中形成的可以实现任意大规模逻辑电路的PLD。具有非易失性和可重写的易用性。但是,CPLD在设计自由度方面不如FPGA高。

1990年代,出现了FLASH型FPGA。它同时具备了SRAM技术和反熔丝技术的两大特点,即可重写性和非易失性。但是其构造和制作工序复杂,难以提高集成度和降低价格?

基于SRAM的FOGA和CPLD是目前的主流工艺。

三、FPGA的工作原理

对于SRAM型,程序被记录在FPGA的闪存或EEPROM等外部存储器中。

当SRAM型FPGA上电时,程序文件从外部存储中载入。被加载的程序文件被称为比特流数据(Bit Stream Data)。这些信息被加载到配置存储器中,该存储器由FPGA中的SRAM型存储器单元构成。被加载的比特流数据,成为了在FPGA上实现用户所需要的回路的信息源,它把FPGA设备上的资源进行客户化,从而实现要求的回路。

四、FPGA特点

FPGA芯片可以每隔几秒就改变芯片上的运行硬件设计,而像CPU、ASIC等芯片则在出厂的时候就已经固化,无法进行改变。

FPGA不需要像CPU和GPU在软件应用层面的指令系统编译,对FPGA进行编程是使用硬件描述语言,并直接编译烧录为晶体管电路的组合,也就是直接用晶体管电路实现用户算法。

FPGA最大的特点就是灵活,实现你想实现的任何数字电路,可以定制任何电路。在设计的过程中可以灵活更改设计,具有现场可编程性。

五、应用

智能电动车是未来汽车行业的主流发展方向,目前汽车相机以及传感器中FPGA的应用已经相对成熟,在自动/智能驾驶汽车的人工智能系统中,FPGA的适用度将是最为契合的用于处理越来越复杂的ADAS和自动驾驶。

在通信领域,5G通信基站数量增多,而单个基站FPGA用量提升,带动FPGA需求量增大。

随着目前5G时代的发展以及AI的推进速度加快,FPGA芯片将加速放量。

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