FPGA底层架构揭秘：结构与工作原理

FPGA只是一个工具，更重要的是你会用FPGA来做什么，会机器学习可以做机器学习，懂通信可以做通信加速器，千万不要只会写代码。向上可以软硬件结合做加速器，向下可以做IC设计，其实选择很多，看个人兴趣爱好了。

1.软件是将01编码翻译出来再去控制一个运算电路，FPGA里面没有这些东西

2.FPGA内部主要三块：可编程的逻辑单元、可编程的连线和可编程的IO模块。

3.可编程的逻辑单元：其基本结构类似存储器(SRAM、 FLASH等)制成的4输入或6输入1输出地“真值表”加上一个D触发器构成。任何一个4输入1输出组合逻辑电路，都有一张对应的“真值表”，同样的如果 用这么一个存储器制成的4输入1输出地“真值表”，只需要修改其“真值表”内部值就可以等效出任意4输入1输出的组合逻辑。这些“真值表”内部值是什么? 就是那些01编码而已。如果要实现时序逻辑电路怎么办?这不又D触发器嘛，任何的时序逻辑都可以转换为组合逻辑加D触发器来完成。

4.可编程的连线：在这些连线上有很多用存储器控制的链接点，通过 改写对应存储器的值就可以确定哪些线是连上的而哪些线是断开的。这就可以把很多可编程逻辑单元组合起来形成大型的逻辑电路。

5.可编程IO：这其实 是FPGA作为芯片级使用必须要注意的。任何芯片都必然有输入引脚和输出引脚。有可编程的IO可以任意的定义某个非专用引脚(FPGA中有专门的非用户可 使用的测试、下载用引脚)为输入还是输出，还可以对IO的电平标准进行设置。

6.总归一句话，FPGA之所以可编程是因为可以通过特殊的01代码制作成一张张 “真值表”，并将这些“真值表”组合起来以实现大规模的逻辑功能。

7.现在的FPGA，不单单是有前面讲的那三块，还有很多专用的硬件功能单元，如何利用好这些单元实现复杂的逻辑电路设计，是 从菜鸟迈向高手的路上必须要克服的障碍。而这一切，还是必须先从了解FPGA内部逻辑及其工作原理做起。

8.深入理解HDL语言：HDL语言的英语全称是：Hardware Description Language，注意这个单词Description，而不是Design。老外为什么要用Description这个词而不是Design呢?因为 HDL确实不是用用来设计硬件的，而仅仅是用来描述硬件的。描述这个词精确地反映了HDL语言的本质，HDL语言不过是已知硬件电路的文本表现形式而已， 只是将以后的电路用文本的形式描述出来而已。而在编写语言之前，硬件电路应该已经被设计出来了。语言只不过是将这种设计转化为文字表达形式而已。但是很多 人就不理解了，既然硬件都已经被设计出来了，直接拿去制作部就完了，为什么还要转化为文字表达形式再通过EDA工具这些麻烦的流程呢?其实这就是很多菜鸟 没有了解设计的抽象层次的问题，任何设计包括什么服装、机械、广告设计都有一个抽象层次的问题。就拿广告设计来说吧，最初的设计也许就是一个概念，设计出 这个概念也是就是一个点子而已，离最终拍成广告还差得很远。

9.硬件设计也是有不同的抽象层次，每一个层次都需要设计。最高的抽象层次为算法级、然后依次是体系结构级、寄存器传输级、门级、物理版图级。

10.使用HDL的好处在于我们已经设计好了一个寄存器传输级的电路，那么用HDL描述以后转化为文本的形式，剩下的向更低层次的转换就可以让EDA工具去做了，这就大大的降低了工作量。就是可综合的概念，也就是说在对这一抽象层次上硬件单元进行描述可以被EDA工 具理解并转化为底层的门级电路或其他结构的电路。

11.HDL也可以描述更高的抽象层级如算法级或者是体系结构级，但目前受限于EDA软件的发展，EDA软件还无法理解这么高的抽象层次，所以 HDL描述这样抽象层级是无法被转化为较低的抽象层级的，这也就是所谓的不可综合。所以在阅读或编写HDL语言，尤其是可综合的HDL，不应该看到的是语言本身，而是要看到语言背后所对应的硬件电路结构。

12.如果看到的HDL始终是一条条的代码，那么这种人永远摆脱不了菜鸟的宿命。假如哪一天看到的代码不再是 一行行的代码而是一块一块的硬件模块，那么恭喜脱离了菜鸟的级别，进入不那么菜的鸟级别。

13：FPGA是给谁用的：FPGA是给谁用的?很多学校解释为给学微电子专业或者集成电路设计专业的学生 用的，其实这不过是很多学校受资金限制，买不起专业的集成电路设计工具而用FPGA工具替代而已。其实FPGA是给设计电子系统的工程师使用的。这些工程 师通常是使用已有的芯片搭配在一起完成一个电子设备，如基站、机顶盒、视频监控设备等。当现有芯片无法满足系统的需求时，就需要用FPGA来快速的定义一 个能用的芯片。FPGA里面无法就是一些“真值表”、触发器、各种连线以及一些硬件资源，电子系统工程师使用FPGA进行设计时无非就是考虑如 何将这些以后资源组合起来实现一定的逻辑功能而已，而不必像IC设计工程师那样一直要关注到最后芯片是不是能够被制造出来。本质上和利用现有芯片组合成不 同的电子系统没有区别，只是需要关注更底层的资源而已。要想把FPGA用起来还是简单的，因为无非就是那些资源，在理解了前面两点再搞个实验板，跑跑实 验，做点简单的东西是可以的。而真正要把FPGA用好，那光懂点FPGA知识就远远不够了。因为最终要让FPGA里面的资源如何组合，实现何种功能才能满 足系统的需要，那就需要懂得更多更广泛的知识。

14：FPGA的应用：第一个方向，也是传统方向主要用于通信设备的高速接口电路设计，这一方 向主要是用FPGA处理高速接口的协议，并完成高速的数据收发和交换。这类应用通常要求采用具备高速收发接口的 FPGA，同时要求设计者懂得高速接口电路设计和高速数字电路板级设计，具备EMC/EMI设计知识，以及较好的模拟电路基础，需要解决在高速收发过程中 产生的信号完整性问题。FPGA最初以及到目前最广的应用就是在通信领域，一方面通信领域需要高速的通信协议处理方式，另一方面通信协议随时在修改，非常 不适合做成专门的芯片。因此能够灵活改变功能的FPGA就成为首选。到目前为止FPGA的一半以上的应用也是在通信行业。

15.FPGA的应用：第二个方向，可以称为数字信号处 理方向或者数学计算方向，因为很大程度上这一方向已经大大超出了信号处理的范畴。例如早就在2006年就听说老美将FPGA用于金融数据分析，后来又见到 有将FPGA用于医学数据分析的案例。在这一方向要求FPGA设计者有一定的数学功底，能够理解并改进较为复杂的数学算法，并利用FPGA内部的各种资源 使之能够变为实际的运算电路。

目前真正投入实用的还是在通信领域的无线信号处理、信道编解码以及图像信号处理等领域，其它领域的研究正在开展中，之所以没 有大量实用的主要原因还是因为学金融的、学医学的不了解这玩意。不过最近发现欧美有很多电子工程、计算机类的博士转入到金融行业，开展金融信号处理，相信 随着转入的人增加，FPGA在其它领域的数学计算功能会更好的发挥出来，而我也有意做一些这些方面的研究。不过国内学金融的、学医的恐怕连数学都很少用 到，就不用说用FPGA来帮助他们完成数学运算了，这个问题只有再议了。

15.FPGA的应用：第三个方向，就是所谓的SOPC方向，其实严格意义上来说这个已经在FPGA设计 的范畴之内，只不过是利用FPGA这个平台搭建的一个嵌入式系统的底层硬件环境，然后设计者主要是在上面进行嵌入式软件开发而已。设计对于FPGA本身的 设计时相当少的。但如果涉及到需要在FPGA做专门的算法加速，实际上需要用到第二个方向的知识，而如果需要设计专用的接口电路则需要用到第一个方向的知识。就目前SOPC方向发展其实远不如第一和第二个方向，其主要原因是因为SOPC以FPGA为主，或者是在FPGA内部的资源实现一个“软”的处 理器， 或者是在FPGA内部嵌入一个处理器核。但大多数的嵌入式设计却是以软件为核心，以现有的硬件发展情况来看，多数情况下的接口都已经标准化，并不需要那么 大的FPGA逻辑资源去设计太过复杂的接口。而且就目前看来SOPC相关的开发工具还非常的不完善，以ARM为代表的各类嵌入式处理器开发工具却早已深入 人心，大多数以ARM为核心的SOC芯片提供了大多数标准的接口，大量成系列的单片机/嵌入式处理器提供了相关行业所需要的硬件加速电路，需要专门定制硬 件场合确实很少。

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