**这是本文档旧的修订版！**

FPGA就是一个神器，貌似在数字世界里无所不能，它就像乐高的积木一样可以搭建各种不同的功能模块，实现你所希望的各种功能，当然，首先你必须掌握最基本的数字逻辑知识，学会一种用来构建各种功能的工具语言（在这里我们推荐广受欢迎的Verilog），再次你要动脑（考验的是你的逻辑思维是否清晰），一个优秀的建筑师的作品是在脑子里勾画出来的，而不是拿积木碰运气拼凑出来的。

在进入正式的学习之前，先给大家提供两本基础的英文书，同学们可以下载了进行阅读（在无法上网和流量将用尽的时候最好、最让自己不内疚的消遣方式）

同时建议大家能够大量阅读维基百科上面关于FPGA的词条信息，访问维基百科不需要翻墙，但同学们一定要阅读英文的资料，而不是中文的。

来，正式开始宏大的FPGA学习历程。。。

1 数字逻辑、可编程逻辑及FPGA

FPGA（Field Programmable Gate Array）译作中文为：现场可编程门阵列，也就是设计者可以在现场对可定制的数字逻辑进行编程的集成电路，相比于其它的硬件构成，它允许你构建你所需要的硬件而不需要ASIC（专用集成电路），而且比采用微处理器内核更简单、快速、省电。

关于FPGA的大概介绍，参考我们的培训文档：ECBC可编程逻辑基础PPT

1.1 为什么用FPGA？

FPGA的技术优势：灵活的开发周期、更低的设计迭代成本、更低的一次性工程费用（NRE），易于评估和实现的可选设计架构，新产品上市时间快。 相比于ASIC和MCU来讲，FPGA具有以下优势：

  1. 功能强大，并大量并行处理结构；可以实现数字设计领域几乎所有的功能 － 组合逻辑、时序逻辑、存储、处理器；现今的FPGA芯片集成了更多功能，比如PLL时钟产生、分配、驱动，支持各种高速接口规范的可编程IO，硬核化的SPI／I2C总线以及ARM内核等，增强的DSP单元，Altera公司（现已被Intel收购）的MAX10甚至集成了串行ADC能够对监测环境的温度。
  2. 开发快，上市时间短，适合原型设计或小批量产品，FPGA高度灵活，设计实现和后续优化的灵活性可以显著影响项目的进度、设计的复杂度，降低项目的风险，便于更改和升级。
  3. 重复编程/配置，灵活、快速
  4. 集成度高，可以通过选用不同规模的器件实现自己所需要的功能，内部功能模块之间的通信和接口的速度、性能都会较多个分立的芯片之间互连有明显的改善，节省板卡空间，便于调试

1.2 FPGA设计需要的技能

FPGA在各个领域都是必不可少的一种硬件工具，掌握并有效使用FPGA对当代的电子设计工程师来讲是非常必要的，要做到较好的FPGA设计需要具备如下的一些技能：

1.2.1 具备自己设计高速数字电路板（PCB）的能力并且掌握[[DSP]]的基础理论
  • PCB硬件与接口设计
  • 逻辑电路设计
  • 硬件仿真
  • 硬件模块调试
  • PCB设计布局
  • 信号完整性及终端匹配
  • DSP算法的硬件实现
  • 功耗与去藕设计
  • 板级引脚分配
  • I/O特性的定义
  • 设计优化权衡
  • FPGA器件和封装选择
1.2.2 还要掌握至少一门硬件描述语言（HDL）
  • HDL语言的设计输入
  • 测试平台的开发
  • 设计约束
  • 脚本实现自动化处理
  • HDL流程文件的配置管理
  • 支持设计复用
1.2.3 从系统高度设计你的系统
  • 处理器需求分析
  • 处理器架构选择
  • 系统级设计的层次结构定义
  • 系统模块的集成与接口测试
  • 数据流的定义
  • 硬件／软件实现的权衡
  • 功能划分和模块化设计
  • 系统级测试、调试和验证
1.2.4 具体实现 － 通过软件／DSP设计
  • 处理器代码模块的定义
  • DSP算法的软件实现
  • 在处理器上运行操作系统
  • 代码的编写和测试
  • 常规的代码调试和验证
  • 代码的配置管理

1.3 PLD／FPGA的结构

1.3.1 FPGA基本功能

FPGA结构

组成数字电路的三个基本部分为：门、寄存器以及将这些门（Gate）、寄存器（Register）连接起来的连线（Wire）。

FPGA逻辑单元构成举例

1.3.2 FPGA增强功能
  1. 内置处理器：软核 & 硬核 & DSP
  2. 时钟及管理：PLL、DLL、驱动／分配
  3. IO：多种高速收发、DDR存储器访问、可编程数控阻抗
  4. 嵌入MAC单元 － 高效浮点运算
  5. 各种内置存储器：双口RAM、FIFO
  6. 各种常用接口：I2C、SPI等
  7. 系统监控：内置ADCs

1.4 主要供应商

  • Altera是专注于可编程逻辑器件（PLDs）、重配置复杂数字电路的美国公司。该公司于1984年发布器第一款PLD，目前已经是全球最大的PLD供应商，第二大的FPGA供应商，其主要产品线为高端的Stratix,中端Arria以及低端的Cyclone系列FPGA以及MAX系列的CPLDs，其设计软件为Quartus II以及Enpirion 系列的PowerSoC DC-DC电源方案. 2015年12月8日Altera以167亿美元卖给Intel，正式已经成为Intel的一个产品部门 － PSG（可编程系统部）。更多最新信息参见Wikipedia关于Altera的介绍。

  • Lattice Semi是一家高性能可编程逻辑器件（FPGAs，CPLD，一季SPLDs）的美国公司，成立于1983年，在全球有大约700名员工，为全球第三的FPGA供应商，全球第二的CPLDs & SPLDs。其主要产品线为高端的ECP系列，中端的MACH系列以及低端的ICE系列，其设计软件为Lattice Diamond。更多最新信息参见Wikipedia关于Lattice Semiconductor公司的介绍。

  • Cypress是美国一家在嵌入式系统领域（汽车电子、工业控制、网络平台到高交互消费、移动设备）专注于高性能、高质量解决方案的设计和生产企业。它提供比较宽泛但差异化的产品线，比如NOR Flash存储器、F-RAM™以及SRAM, Traveo™ 微控制器, 业界独特的PSoC® 可编程片上系统, 模拟和PMIC电源管理集成电路, CapSense® 电容触摸感知控制器,以及无线低功耗蓝牙BLE 和USB连接方案。更多最新信息参见Wikipedia关于Cypress Semiconductor公司的介绍。

  • Actel已经被Microsemi收购，主要产品为非易失, 低功耗的FPGA，混合信号FPGA以及可编程逻辑方案。其产品线有反熔丝结构的FPGA和基于Flash的FPGA两种，主要用于高可靠性的领域，比如航空航天。更多最新信息参见Wikipedia关于Actel公司的介绍。

1.5 FPGA的选型决策原则

  1. 功能／资源：逻辑单元、存储器、处理能力、IO、处理器内核、DSP
  2. 封装：满足管脚数量以及板卡的物理尺寸要求
  3. 功耗：满足系统对供电的限制需求
  4. 开发工具／难度：影响设计难度和开发时间，尽可能选择易于开发、调试的器件架构
  5. 系统成本：包括配置RAM、外供电源、时钟等，除了器件成本之外还要考虑实现成本、支持成本等。
  6. 购买难度：价钱／数量／供货渠道
  7. 灵活性：便于将来的产品修改和升级
  8. 技术支持：供应商是否能够提供良好的技术支持，乃至培训