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近两年的芯片短缺的话题频频被提及，FPGA这个概念也越来越多的出现，比如我们树枝的比特币挖矿使用的矿机中就有它的身影，在安防，工业等领域也有着比较广泛的应用，那么FPGA是什么呢？一起来了解一下FPGA基础知识吧！ 图 1 中给出了 FPGA 芯片的实物图：  图 1 FPGA芯片实物图 一、什么是 FPGA？FPGA 的全称为 Field-Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列。 于 1985 年由 Xilinx 创始人之一 Ross Freeman 发明，FPGA 是在 PAL、 GAL、 CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物， 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。 国内目前常用的是国际大厂Xilinx和inter的，国内有国科微和复旦微的FPGA，不过都是用的Xilinx的内核，开发工具可以直接使用Vivado进行开发，但是工艺真不能恭维。 1、FPGA 发展历程 在 PLD 未发明之前，工程师使用包含若干个逻辑门的离散逻辑芯片进行电路系统的搭建，复杂的逻辑功能实现起来较为困难。  图 2 PLA内部结构
 图 3 PROM内部结构
 图 4 PAL结构图
 图 5 GAL结构图
 FPGA 比 CPLD 早几年问世，与 CPLD 并称为高密度可编程逻辑器件，但它们有着本质的区别。FPGA 芯片的内部架构并没有沿用类似 PLA 的结构，而是采用了逻辑单元阵列（Logic Cell Array，LCA）这样一个概念，改变了以往 PLD 器件大量使用与门、非门的思想，主要使用查找表和寄存器。
 2、FPGA的本质 简而言之， FPGA 就是一个可以通过编程来改变内部结构的芯片。由大量的逻辑门阵列构成。最简单的逻辑门即：与、或、非。 FPGA与CPU的不同在于：对于CPU或者单片机的编程，往往是通过改变上面寄存器的配置来改变的，但是并不会改变这个芯片的逻辑功能。 而FPGA具有硬件可编程性，即：可以对逻辑门阵列进行重复编程，从而使得FPGA可以在逻辑层面上，任意改变自己实现的硬件结构，这就使得FPGA有很高的灵活性了。 FPGA还具有现场可编程性，即：FPGA可根据需求在使用现场完成编程，而不需要拆下来送回厂家再进行编程。 因此，FPGA也被称为是 “万能芯片”。 二、FPGA的优势FPGA的三个阶段：发明阶段，扩张阶段，累计阶段。 从当初单纯的“可编程逻辑单元”发展到了 拥有成百上千个“可编程逻辑单元的大型阵列”，再发展到了 集成了各类硬件资源和IP核的片上系统。 可以说，FPGA已经变成了非常复杂的芯片，成为了延续摩尔定律的最主要的代表。 1、与CPU的优势 现如今通用处理器（CPU）的摩尔定律已入暮年，而机器学习和Web服务的规模却在指数级增长。人们使用定制硬件来加速常见的计算任务，然而日新月异的行业又要求这些定制的硬件可被重新编程来执行新类型的计算任务。 FPGA常年来被用作专用芯片（ASIC）的小批量替代品，然而近年来在微软、百度等公司的数据中心大规模部署，以同时提供强大的计算能力和足够的灵活性。 ▲不同体系结构性能和灵活性的比较 那FPGA为何会如此之快？这得亏于同行的衬托。 CPU、GPU都属于冯诺依曼结构，指令译码执行、共享内存。而FPGA是无指令、无需共享内存的体系结构，这一结构使得FPGA芯片比CPU甚至GPU的能效高得多。 冯氏结构中，由于执行单元（如CPU核）可能执行任意指令，就需要有指令存储器、译码器、各种指令的运算器、分支跳转处理逻辑。由于指令流的控制逻辑复杂，不可能有太多条独立的指令流，因此GPU使用SIMD（单指令流多数据流）来让多个执行单元以同样的步调处理不同的数据，CPU也支持SIMD指令。 而FPGA每个逻辑单元的功能在重编程（烧写）时就已经确定，不需要指令。 如果使用GPU来加速，要想充分利用GPU的计算能力，batch size就不能太小，延迟将高达毫秒量级。而使用FPGA来加速的话，只需要微秒级的PCle延迟。 那FPGA为何比GPU的延迟低这么多？这本质上是体系结构的区别。 FPGA同时拥有流水线并行和数据并行，而GPU几乎只有数据并行（流水线深度受限）。 2、与ASIC的优势 而相对于出于专门目的而设计的集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC），FPGA 具有 3 点优势： 1) 灵活性通过对 FPGA 编程，FPGA 可以执行 ASIC 能够执行的任何逻辑功能。FPGA 的独特优势在于其灵活性，即随时可以改变芯片功能，在技术还未成熟的阶段，这种特性能够降低产品的成本与风险，在 5G 技术普及初期，这种特性尤为重要。 2) 上市时间缩短对 FPGA 编程后即可直接使用，FPGA 方案无须经历三个月至一年的芯片流片周期，为企业争取了产品上市时间。 3) 有一定成本优势FPGA 与 ASIC 的主要区别在于 ASIC 方案有固定成本而 FPGA 方案几乎没有，在使用量小的时候，采用 FPGA 方案无须一次性支付几百万美元的流片成本，同时也不用承担流片失败的风险，此时 FPGA 方案的成本低于 ASIC 的，随着使用量增加，FPGA 方案在成本上的优势逐渐减少，超过某一使用量后，由于大量流片产生了规模经济，因此 ASIC 方案在成本上更有优势，如下图所示： FPGA方案和ASIC方案的成本比较
这么说吧，FPGA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。 与ASIC芯片相比，FPGA的一项重要特点是其可编程特性，即用户可通过程序指定FPGA实现某一特定数字电路。再者就是FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 3、与单片机的优势 我们都知道，单片机功能强大，几乎无所不能，而 FPGA 与之相比只强不弱。因为只要单片机能实现的功能，FPGA 就一定能实现，当然这需要加一个大前提——在 FPGA 资源足够多的情况下。但是 FPGA 能实现的功能，单片机却不一定能够轻松实现，这是不争的事实，如果你不相信，那只能说明你还不了解 FPGA。 学习FPGA的人基本上都或多或少对单片机有所了解，在这里，我来说说FPGA和单片机的区别，相信大家可以更加理解FPGA。 1) 结构上的区别 2) 速度上的区别 3) 本质区别 说到这里，读者不禁要问，既然 FPGA 这么厉害，为什么单片机的使用范围更广？那是因为在商业中，价格往往是影响产品的重要因素之一。 三、FPGA结构
FPGA架构 目前主流的 FPGA 芯片是基于 SRAM 工艺的查找表结构，FPGA 的基本结构可分为6大部分，分别为：  需要通过编程即设计硬件描述语言，经过 EDA 工具编译、综合、布局布线成后转换为可烧录的文件，最终加载到 FPGA 器件中去，改变 FPGA 内部的连线，最终完成所实现的功能。FPGA架构特点如下： 1、无需指令 FPGA 每个逻辑单元的功能在重编程（烧写）时就已经确定，不需要指令。 2、无需仲裁与共享内存 对于保存状态的需求，FPGA 中的寄存器和片上内存（BRAM）是属于各自的控制逻辑的，无需不必要的仲裁和缓存。 对于通信的需求，FPGA 每个逻辑单元与周围逻辑单元的连接在重编程（烧写）时就已经确定，并不需要通过共享内存来通信。 四、FPGA应用场景1、FPGA与通信 过去几年的时间里，FPGA在网络和电信系统开发中的角色得到了很大的扩展，不再是仅仅用于集成电路板上不同元器件之间的桥接逻辑。基于FPGA的解决方案既提供了专用芯片解决方案所具有的功能、性能和灵活性，同时又降低了开发成本。随着FPGA器件成本不断降低以及密度/性能的不断提高，今天的FPGA已经可以覆盖从最低端的DSLAM和以太网交换机直到最高端的核心路由器和WDM设备。 2、 FPGA与汽车电子 FPGA的出现给汽车产品和汽车电子技术带来了革命性的变化，世界汽车工业的FPGA用量激增，由从前单片FPGA处理器发展成多FPGA处理器，或FPGA阵列的高速处理器。基于FPGA的汽车电子产品能够满足未来的汽车发展的需要，并且，在多种车型并存的时代里，由以FPGA为核心所构建的通用硬件平台，可以通过不同的软件加载的方式来实现这种兼容。伴随着未来汽车电子技术的不断发展，FPGA的速度将会不断提高。 3、FPGA与消费电子 消费电子在FPGA产品的各种应用中销售额的增长率是非常可观的，成本、功耗和体积的优化进一步促进了FPGA技术在消费电子领域的发展，其中平板电视、汽车电子和各类便携式产品尤为引人注目。 针对数字显示、机顶盒以及无线路由器等应用而优化的这些小封装器件满足了业界对更小器件封装尺寸的需求，为对成本极为敏感的消费电子设计提供了更好的支持。 4、FPGA与工业控制 工业市场对于半导体行业来说，一直是个略显平淡但却稳定增长的市场。与消费类产品带给人们的惊险刺激相比，工业市场显得更加可靠，尤其是在当前这样严峻的市场环境下，它让半导体业的人们感到些许温暖。对于FPGA这类特殊的强大的器件来说，工业市场的稳定发展也给它带来了巨大发展契机。 以上就是FPGA是什么的详细介绍，伴随5G网络的建设，更多的领域中也会应用到它，希望能帮助大家更好的理解FPGA这个概念。  五、学习FPGA之前的知识储备对于才进入大学的小白，信号处理相关的书籍可以选择先学习数电和verilog。 六、 学习资料 |
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