1.1 FPGA技術(shù)的發(fā)展歷史和動向

FPGA器件自問世以來，已經(jīng)經(jīng)歷了幾個發(fā)展階段。驅(qū)動每個階段發(fā)展的因素都是工藝技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用的需求。正是這些驅(qū)動因素，導(dǎo)致器件的特性和工具發(fā)生了明顯的變化。本節(jié)將介紹FPGA技術(shù)的發(fā)展歷史及發(fā)展動向。

1.1.1 FPGA技術(shù)的發(fā)展歷史

數(shù)字集成電路的發(fā)展歷史經(jīng)歷了從電子管、晶體管、小規(guī)模集成電路到大規(guī)模以及超大規(guī)模集成電路等不同的階段。發(fā)展到現(xiàn)在，主要有3類電子器件：存儲器、處理器和邏輯器件。

存儲器保存隨機信息（電子數(shù)據(jù)表或數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容）；處理器執(zhí)行軟件指令，以便完成各種任務(wù)（運行數(shù)據(jù)處理程序或視頻游戲）；而邏輯器件可以提供特殊功能（器件之間的通信和系統(tǒng)必須執(zhí)行的其他所有功能）。

邏輯器件分成兩類：

固定的或定制的。

可編程的或可變的。

其中，固定的或定制的邏輯器件通常稱為專用芯片（ASIC）。ASIC是為了滿足特定用途而設(shè)計的芯片，例如MP3解碼芯片等。其優(yōu)點是通過固化的邏輯功能和大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)，降低了芯片的成本，同時提高了產(chǎn)品的可靠性。隨著集成度的提高，ASIC的物理尺寸也在不斷縮小。但是，ASIC設(shè)計的周期長，投資大，風險高，一旦設(shè)計結(jié)束后，功能就固化了，以后的升級改版工作困難比較大。電子產(chǎn)品的市場正在逐漸細分，為了滿足快速產(chǎn)品開發(fā)的需要，產(chǎn)生了現(xiàn)場可編程邏輯器件。

自1984年Xilinx公司推出第一個現(xiàn)場可編程邏輯器件至今，F(xiàn)PGA已經(jīng)歷了三十多年的快速發(fā)展歷程。特別是近幾年來，更是發(fā)展迅速。FPGA的邏輯規(guī)模已經(jīng)從最初的數(shù)千個可用門發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)千萬個可用門。

FPGA技術(shù)之所以具有巨大的市場吸引力，其根本原因在于：FPGA不僅可以解決電子系統(tǒng)小型化、低功耗、高可靠性等問題，而且其開發(fā)周期短、投入少，芯片價格不斷下降。FPGA正在越來越多地取代傳統(tǒng)的ASIC，特別是在小批量、個性化的產(chǎn)品市場上。

1.1.2 FPGA技術(shù)的發(fā)展動向

隨著芯片設(shè)計工藝水平的不斷提高，F(xiàn)PGA技術(shù)呈現(xiàn)出以下4個主要發(fā)展動向：

1．基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)（SoPC）技術(shù)正在成熟

System on Chip（SoC）技術(shù)在芯片設(shè)計領(lǐng)域被越來越廣泛地采用，而SoPC技術(shù)是SoC技術(shù)在可編程器件領(lǐng)域的應(yīng)用。這種技術(shù)的核心是在FPGA芯片內(nèi)部構(gòu)建處理器。Xilinx公司主要提供基于Power PC的硬核解決方案，而Altera提供的是基于NIOSII的軟核解決方案。Altera公司為NIOSII軟核處理器提供了完整的軟硬件解決方案，可以讓客戶短時間內(nèi)完成SoPC系統(tǒng)的構(gòu)建和調(diào)試工作。

2．FPGA芯片朝高性能、高密度、低壓和低功耗方向發(fā)展

隨著芯片生產(chǎn)工藝不斷提高，F(xiàn)PGA芯片的性能和密度都在不斷提高。早期的FPGA主要是完成接口邏輯設(shè)計，比如AD/DA和DSP的黏合邏輯。現(xiàn)在的FPGA正在成為電路的核心部件，完成關(guān)鍵功能。在高性能計算和高吞吐量I/O應(yīng)用方面，F(xiàn)PGA已經(jīng)取代了專用的DSP芯片，成為最佳的實現(xiàn)方案。因此，高性能和高密度也成為衡量FPGA芯片廠家設(shè)計能力的重要指標。隨著FPGA性能和密度的提高，功耗也逐漸成為了FPGA應(yīng)用的瓶頸。雖然FPGA比DSP等處理器的功耗低，但是要明顯高于專用芯片（ASIC）。FPGA的廠家也在采用各種新工藝和技術(shù)來降低FPGA的功耗，并且已經(jīng)取得了明顯效果。例如，Xilinx公司的Virtex-7 FPGA產(chǎn)品與Virtex-6器件相比，系統(tǒng)性能提高一倍，功耗降低一半。

3．基于IP庫的設(shè)計方法

未來的FPGA芯片密度不斷提高，傳統(tǒng)的基于HDL的代碼設(shè)計方法很難滿足超大規(guī)模FPGA的設(shè)計需要。隨著專業(yè)的IP庫設(shè)計公司不斷增多，商業(yè)化的IP庫種類會越來越全面，支持的FPGA器件也會越來越廣泛。作為FPGA的設(shè)計者，主要的工作是找到適合項目需要的IP庫資源，然后將這些IP整合起來，完成頂層模塊設(shè)計。由于商業(yè)的IP庫都是經(jīng)過驗證的，因此整個項目的仿真和驗證工作主要就集中在驗證IP庫的接口邏輯設(shè)計的正確性方面。

目前，由于國內(nèi)知識產(chǎn)權(quán)保護相關(guān)法律法規(guī)還不盡完善，基于IP庫的設(shè)計方法還沒有得到廣泛應(yīng)用。但是隨著FPGA密度不斷提高和IP庫的價格逐漸趨于合理化，這種設(shè)計方法將會成為FPGA設(shè)計技術(shù)的主流。

4．FPGA的動態(tài)可重構(gòu)技術(shù)

FPGA動態(tài)重構(gòu)技術(shù)主要是指，對于特定結(jié)構(gòu)的FPGA芯片，在一定的控制邏輯的驅(qū)動下，對芯片的全部或部分邏輯資源實現(xiàn)高速的功能變換，從而實現(xiàn)硬件的時分復(fù)用，節(jié)省邏輯資源。由于密度不斷提高，F(xiàn)PGA能實現(xiàn)的功能也越來越復(fù)雜。FPGA全部邏輯配置一次需要的時間變長了，降低了系統(tǒng)的實時性。局部邏輯的配置功能可以實現(xiàn)“按需動態(tài)重構(gòu)”，大大提高了配置的效率。動態(tài)可重構(gòu)的FPGA可以在系統(tǒng)運行中對電路功能進行動態(tài)配置，實現(xiàn)硬件的時分復(fù)用，節(jié)省了資源，主要適用于以下兩個系統(tǒng)設(shè)計：

FPGA的動態(tài)重構(gòu)特性可以適應(yīng)不同體制和不同標準的通信要求，滿足軟件無線電技術(shù)的發(fā)展和第四代（4G）移動通信系統(tǒng)的需要。

FPGA具有并行處理能力和動態(tài)配置能力，可自動改變硬件適應(yīng)正在運行的程序，產(chǎn)生了基于這種軟硬件環(huán)境的全新概念的計算機。