首先，如果你從未接觸過(guò)FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列），或者有過(guò)一點(diǎn)基礎(chǔ)想要繼續(xù)深入了解這個(gè)行業(yè)，在這個(gè)小節(jié)，我會(huì)向你介紹FPGA，并且向你解釋FPGA都能解決什么問(wèn)題，如何解決這些問(wèn)題，并討論如何將設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化等等。

在FPGA四個(gè)英文字母中，F(xiàn)代表著Field，即現(xiàn)場(chǎng)，那什么是現(xiàn)場(chǎng)呢？FPGA中的現(xiàn)場(chǎng)，是一種廣義上的現(xiàn)場(chǎng)，既有指代產(chǎn)品所處之地，又體現(xiàn)的是FPGA的一種“即時(shí)性”；而P是Programmable，代表著可編程；G為Gate，門，也就是數(shù)字電路之中的邏輯門；A為Array，指由邏輯門組成的陣列。將四個(gè)英文單詞組合，就是我們常說(shuō)的現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列——FPGA。

與其他搭建硬件平臺(tái)的方式相比，F(xiàn)PGA做了兩件事，首先，它使你能夠自由地搭建你需要的硬件平臺(tái)，取代了從前使用ASIC（專用集成電路）時(shí)所不得不承擔(dān)的長(zhǎng)開(kāi)發(fā)時(shí)間、高額開(kāi)發(fā)經(jīng)費(fèi)以及設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，另外一點(diǎn)，相比于其它的硬件構(gòu)成，它允許你構(gòu)建你所需要的硬件而不需要ASIC，而且比采用微處理器內(nèi)核更簡(jiǎn)單、快速、省電。

1.編程自由度高

FPGA貌似在數(shù)字世界里無(wú)所不能，它就像樂(lè)高的積木一樣可以搭建各種不同的功能模塊，實(shí)現(xiàn)你所希望的各種功能，當(dāng)然，首先你必須掌握最基本的數(shù)字邏輯知識(shí)，學(xué)會(huì)一種用來(lái)構(gòu)建各種功能的工具語(yǔ)言，再次你要?jiǎng)幽X，一個(gè)優(yōu)秀的建筑師的作品是在腦子里勾畫出來(lái)的，而不是拿積木碰運(yùn)氣拼湊出來(lái)的。

2.開(kāi)發(fā)周期短：“現(xiàn)場(chǎng)可編程”

FPGA可以使你去對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行“現(xiàn)場(chǎng)”編程，這使得調(diào)試周期縮短，產(chǎn)品也就能夠迅速適應(yīng)新的工藝標(biāo)準(zhǔn)。并且產(chǎn)品在已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)安裝上了之后依然可以對(duì)其硬件進(jìn)行直接配置，也就是我們所說(shuō)的“現(xiàn)場(chǎng)可編程”。

3.高速

FPGA的高速體現(xiàn)在兩個(gè)方面：并行性，PLL鎖相環(huán)。

第一點(diǎn)是FPGA的并行性，相比于傳統(tǒng)的MCU，程序規(guī)模越大，越能體現(xiàn)出FPGA的優(yōu)勢(shì)。

第二點(diǎn)就是PLL鎖相環(huán)，MCU上同樣含有PLL鎖相環(huán)，但它受到的限制非常大，通常只能進(jìn)行幾個(gè)檔位的倍頻，而FPGA上的PLL倍頻自由度較高，以Altera公司生產(chǎn)的MAX10為例，50MHz的時(shí)鐘通常在芯片允許的情況下外部時(shí)鐘可倍頻到470MHz左右，而內(nèi)部時(shí)鐘可倍頻到1.3GHz。

4.高集成度

當(dāng)半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)品集成度越來(lái)越高的同時(shí)，編程者門也意識(shí)到可以在FPGA中建立整個(gè)子系統(tǒng)，而不是只局限于使用ASIC，他們可以將更多的設(shè)備放在相同大小的封裝里——并且允許實(shí)現(xiàn)更多樣的功能和更復(fù)雜的算法，計(jì)算速度上升的同時(shí)，功耗也會(huì)更小。

5.可嵌入IP硬核

FPGA可以內(nèi)置IP核，提供豐富強(qiáng)大的功能，使開(kāi)發(fā)者無(wú)需浪費(fèi)時(shí)間去重復(fù)的構(gòu)建同一種功能模塊。同時(shí)，也會(huì)減少資源的消耗并且節(jié)約很多資金。

接下來(lái)，想跟《電子發(fā)燒友網(wǎng)》微信公眾號(hào)的燒友們聊下fpga突出特點(diǎn)。

可以說(shuō)，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。

采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路（專用集成電路），用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。

FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開(kāi)發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。FPGA采用高速CMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容?？梢哉f(shuō)，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。

FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。

用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。

掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無(wú)須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時(shí)，只需換一片EPROM即可。

這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。

典型應(yīng)用一：接口邏輯控制——提供前所未有的靈活性

1、PCI、PCI Express、PS/2、USB等接口控制器

2、SDRAM、DDR、SDRAM、QDR、SRAM、NAND Flash、NOR Flash等接口控制器

3、電平轉(zhuǎn)換，LVDS、TTL、COMS、SSTL等

典型應(yīng)用二：高速的數(shù)字信號(hào)處理——提供前所未有的計(jì)算能力

1、無(wú)線通信領(lǐng)域，如軟件無(wú)線電（SDR）；

2、視頻圖像處理領(lǐng)域，如高清晰數(shù)字電視（HDTV）；

3、軍事和航空航天領(lǐng)域，如雷達(dá)聲納、安全通信。

其他應(yīng)用領(lǐng)域

1、汽車，如網(wǎng)關(guān)控制器、車用PC、遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)等；

2、消費(fèi)產(chǎn)品，如顯示器/投影儀、數(shù)字電視和機(jī)頂盒、家庭網(wǎng)絡(luò)等；

3、醫(yī)療，如電療、血液分析儀、醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備等

4、通信設(shè)備 ，如蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施、寬帶無(wú)線通信、軟件無(wú)線電等

5、測(cè)試與測(cè)量，如通信測(cè)試與監(jiān)測(cè)、半導(dǎo)體、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備、通用儀表等。

從市場(chǎng)規(guī)模來(lái)看，全球FPGA近幾年基本維持在50億美元左右，應(yīng)用則以傳統(tǒng)通信市場(chǎng)為主，云計(jì)算、IoT等新興市場(chǎng)尚在培育期。

Xilinx、Altera、Lattice三家廠商營(yíng)收始終位于全球前三甲，每年的營(yíng)收、凈利潤(rùn)增長(zhǎng)以及毛利率都相對(duì)穩(wěn)定。

技術(shù)方面，近十年FPGA沒(méi)有根本性的進(jìn)步，行業(yè)壟斷已經(jīng)形成。

Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi等廠商共計(jì)擁有超過(guò)10000件專利，占總量60%以上，F(xiàn)PGA架構(gòu)和核心電路、應(yīng)用方案，基本被這幾家國(guó)外廠商專利網(wǎng)覆蓋，后進(jìn)者發(fā)展受到極大限制。

資料顯示，Xilinx Virtex UltraScale Plus系列產(chǎn)品，采用16納米先進(jìn)制程工藝，擁有超過(guò)28520萬(wàn)門，Serdes速率為32.75Gbps ，即將開(kāi)始量產(chǎn)，在技術(shù)上依舊領(lǐng)先競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

數(shù)據(jù)顯示，中國(guó)FPGA市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)化率非常低，政府部門國(guó)產(chǎn)應(yīng)用率不足30%，還有很大提升空間，商用市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)化率就更低，形勢(shì)不容樂(lè)觀。

包朝偉表示，國(guó)內(nèi)廠商FPGA產(chǎn)品在中國(guó)市場(chǎng)的份額總計(jì)不足5%，只有紫光同創(chuàng)、安路等廠商在中低密度市場(chǎng)取得了一些成績(jī)。

不過(guò)，由于全球絕大部分FPGA專業(yè)人才集中在前幾家龍頭廠商，其它廠商人才匱乏，再加上FPGA開(kāi)發(fā)需要最先進(jìn)的制造封測(cè)工藝、軟件開(kāi)發(fā)難度大、IP多且雜，需要大量應(yīng)用才能支撐市場(chǎng)，因此中國(guó)目前的發(fā)展存在嚴(yán)重滯后的問(wèn)題。

當(dāng)然，這也是國(guó)內(nèi)廠商的發(fā)展機(jī)會(huì)。從信息、產(chǎn)業(yè)和國(guó)防安全等方面考慮，中國(guó)不僅需要自主FPGA，而且還需要將其快速國(guó)產(chǎn)化。在AI、IoT、5G快速發(fā)展和即將商用的情況下，預(yù)計(jì)將帶來(lái)龐大的FPGA增量市場(chǎng)，而這也是國(guó)內(nèi)廠商快速切入的時(shí)機(jī)。

作為一種可編程邏輯器件，F(xiàn)PGA在短短二十多年中從電子設(shè)計(jì)的外圍器件逐漸演變?yōu)閿?shù)字系統(tǒng)的核心。伴隨半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進(jìn)步，F(xiàn)PGA器件的設(shè)計(jì)技術(shù)取得了飛躍發(fā)展及突破。通過(guò)FPGA器件的發(fā)展歷程來(lái)看，今后仍將朝下以下幾個(gè)方向發(fā)展：

　　·高密度、高速度、寬頻帶、高保密;

　　·低電壓、低功耗、低成本、低價(jià)格;

　　·IP軟/硬核復(fù)用、系統(tǒng)集成;

　　·動(dòng)態(tài)可重構(gòu)以及單片集群;

　　·緊密結(jié)合應(yīng)用需求，多元化發(fā)展。

下面給大家介紹三個(gè)目前比較受歡迎的FPGA學(xué)習(xí)網(wǎng)站。

首先當(dāng)然是我們的電子發(fā)燒友網(wǎng)1000w+月訪問(wèn)量，有著300萬(wàn)用戶群體一起探討工程師的精彩世界。在我們的網(wǎng)站里有最新最全的技術(shù)干貨，最及時(shí)的行業(yè)新聞。

Xilinx的分銷商AVNET基于Xilinx的Zynq器件做的一系列ZED板卡的資源網(wǎng)站，有每個(gè)版本的板子的設(shè)計(jì)文檔，對(duì)于用Xilinx的FPGA做設(shè)計(jì)的工程師其原理圖等的設(shè)計(jì)文檔非常具有參考意義。

Digilent是Xilinx的全球大學(xué)計(jì)劃合作伙伴，基于Xilinx最新推出的器件都有對(duì)應(yīng)的學(xué)習(xí)板，并有配套的教程，幾年前被NI收購(gòu)，Digilent在中國(guó)也深耕多年，尤其是其Basys板子非常受高校教師的歡迎。在Digilent的網(wǎng)站上有每個(gè)板卡的硬件設(shè)計(jì)文檔、教學(xué)案例等，對(duì)于初學(xué)者來(lái)講非常有幫助。