第1章
FPGA器件及软件概述

FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）器件属于专用集成电路中的一种半定制电路，是一种可编程逻辑器件，能够有效地解决复杂可编程逻辑器件（CPLD）等门电路数较少的问题。由于FPGA器件具有布线资源丰富、可重复编程、集成度高、投资较低的特点，在数字电路设计领域得到了广泛的应用。FPGA软件设计流程包括算法设计、代码仿真及设计、板级调试。设计人员根据实际需求建立算法架构，利用EDA建立设计方案或利用HDL编写设计代码，通过代码仿真保证设计方案符合实际要求，最后进行板级调试，利用配置电路将相关文件下载至FPGA器件中，验证实际运行效果。

FPGA器件最初只用于胶合逻辑（Glue Logic，胶合逻辑是连接复杂逻辑电路的简单逻辑电路的统称），但历史的脚步永远是前进的，随着半导体技术不断地发展，芯片技术从胶合逻辑发展到算法逻辑，再到数字信号处理（DSP）、高速串行收发器和嵌入式处理器，FPGA器件真正地从配角变成了主角。

Xilinx（赛灵思）公司于1984年发明了世界首款FPGA器件，那个时候还不叫FPGA器件，器件命名为XC2064，直到1988年Actel公司才让这个词流行起来。这个全球首款FPGA器件XC2064怎么看都像是“一只丑小鸭”——采用2μm工艺，包含64个逻辑模块和85000个晶体管，门数量不超过1000个。接下来的30多年里，这种名称为FPGA的器件，容量提升了一万多倍，速度提升了一百多倍，每单位功能的成本和能耗降低了一万多倍。2007年，FPGA器件生产厂家（Xilinx和Altera公司）纷纷推出了采用最新65nm工艺的FPGA产品，其门数量已经达到千万级，晶体管个数更是超过10亿个。

Altera（阿尔特拉，2015年被Intel公司收购）公司基于FLASH技术的FPGA成为FPGA产业中重要的一个增长领域。FLASH技术有其独特之处，能将非易失性和可重编程性集于单芯片解决方案中。

可编程逻辑器件随着微电子制造工艺的发展已经取得了长足的进步。从早期的可编程只读存储器（PROM）、可擦可编程只读存储器（EPROM）和电擦除可编程只读存储器（EEPROM），发展到能完成中大规模数字逻辑功能的可编程阵列逻辑（PAL）和通用阵列逻辑（GAL），今天已经发展成为可以完成超大规模复杂组合逻辑与时序逻辑的复杂可编程逻辑器件（CPLD）和现场可编程门阵列（FPGA）。随着工艺技术的发展与市场需要，超大规模、高速、低功耗的新型FPGA/CPLD不断推陈出新。新一代的FPGA甚至集成了中央处理器（CPU）或数字信号处理器内核，在一片FPGA中进行软硬件协同设计，为实现片上可编程系统（SOPC）提供了强大的硬件支持。

目前较新的FPGA器件，如Xilinx 7系列中的一些可编程逻辑器件，可提供千万以上的“系统门”（相对逻辑密度）。一些先进的可编程逻辑器件还提供诸如内嵌CPU（如ARM CPU）、大容量存储器、时钟管理单元（CMT）等特性，并支持多种最新的超快速器件至器件（Device-to-Device，D2D）信号技术。在微电子技术的不断推动下，FPGA在速度上进一步提高，在功耗方面进一步降低，其应用更加广泛，在通信、工业、医疗与自动化等领域成为发展最快的技术之一，也成为目前应用最为广泛的数字系统的主流平台之一。

随着高性能计算、通信网络、汽车电子、工业等应用领域的技术与功能迅速升级，例如为提高汽车安全性，车载通信系统整合视觉系统的方案大行其道，工业电动机也正快速从单轴控制朝多轴控制演进，微控制器（MCU）、数字信号处理器等关键半导体器件逐渐无法符合其性能要求，SoC FPGA趁势崛起。SoC FPGA是整合了FPGA架构、硬式核心CPU子系统及其他硬式核心IP核的半导体器件。SoC FPGA可实现低延时频宽互连，并提高IP核重用性，近十年已经广泛应用，为系统设计人员提供更多的选择。在各种技术、商业和市场因素相结合下，Altera（Intel）公司和Xilinx公司两个主要FPGA供应商都相继发布或开始销售SoC FPGA器件。

由于FPGA设计越来越复杂（特别是SoC FPGA设计），越来越多的使用了FPGA器件的产品也需要在投入生产之前进行功能、性能等方面的测试，因此FPGA软件测试技术变得非常重要。要做好FPGA软件测试工作，首先必须了解各厂家FPGA器件的特点、工作原理、软件设计特点等。

本章将介绍FPGA器件典型内部结构、FPGA软件设计特点、FPGA工艺技术原理、FPGA生产厂家及其产品，最后介绍FPGA在各领域的应用。