1.3　FPGA概念及其在信號處理中的應用

1.3.1　基本概念及發展歷程

1. 基本概念

隨著數字集成電路的發展，越來越多的模擬電路逐漸被數字電路取代，同時數字集成電路本身也在不斷地進行更新換代，由早期的電子管、晶體管、中小規模集成電路發展到超大規模集成電路，以及許多具有特定功能的專用集成電路。但是，隨著微電子技術的發展，設計與制造集成電路的任務已不完全由半導體廠商來獨立承擔。電子工程師們更愿意自己設計專用集成電路，而且希望ASIC的設計周期盡可能短，最好是在實驗室里就能設計出合適的ASIC，并且立即投入實際的工程應用之中，因而出現了可編程邏輯器件（Programmable Logic Device，PLD），其中應用最廣泛的為現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和復雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）。PLD的主要特點是其功能完全由用戶通過特定軟件編程控制，并完成相應功能，且可反復擦寫。這樣，用戶在用PLD設計好PCB（Printed Circuit Board，印制電路板）后，只要預先安排好PLD引腳的硬件連接，就可通過軟件編程的方式靈活改變PLD的功能，從而達到改變PCB功能的目的。這種方法不需對PCB進行任何更改，從而大大縮短了產品的開發周期和成本。也就是說，由于使用了PLD進行設計，硬件設計已部分實現了軟件化。隨著生產工藝的不斷革新，高密度、超大規模FPGA/CPLD越來越多地在電子信息類產品設計中得到應用，同時由于DSP、ARM（Advanced RISC Machines）與FPGA相互融合，在數字信號處理等領域，已出現了具有較強通用性的硬件平臺，核心硬件設計工作正逐漸演變為軟件設計。

2. 發展歷程

早期的可編程邏輯器件在20世紀70年代初出現，這一時期只有可編程只讀存儲器（Programmable Read-only Memory，PROM）、可擦除可編程只讀存儲器（Erasable PROM，EPROM）和電可擦除只讀存儲器（Electrically EPROM，EEPROM）三種。這類器件結構相對簡單，只能完成簡單的數字邏輯功能，但也足以給數字電路設計帶來巨大變化。

20世紀70年代中期出現了結構稍復雜的可編程芯片，即可編程邏輯器件，它能夠完成各種數字邏輯功能。典型的PLD由與門和或門陣列組成。由于任意一個組合邏輯都可以用與或表達式來描述，所以PLD能以乘積項的形式完成大量的組合邏輯功能。這一階段的產品主要有可編程陣列邏輯（Programmable Array Logic，PAL）和通用陣列邏輯（Generic Array Logic，GAL）。PAL由一個可編程的與平面和一個固定的或平面構成，PAL是現場可編程的。還有一類結構更為靈活的邏輯器件是可編程邏輯陣列（Programmable Logic Array，PLA），它也由一個與平面和一個或平面構成，但這兩個平面的連接關系是可編程的。PLA既有現場可編程的，也有掩膜可編程的。在PAL的基礎上又發展了一種通用陣列邏輯，如GAL16V8、GAL22V10等，實現了電可擦除、電可改寫，其輸出結構是可編程的邏輯宏單元，因而它的設計具有很強的靈活性，至今仍有許多人使用。這些早期PLD的一個共同特點是，可以實現速度特性較好的邏輯功能，但過于簡單的結構也使它們只能實現規模較小的電路。

為了彌補這一缺陷，20世紀80年代中期，Altera和Xilinx兩家公司分別推出了類似PAL結構的擴展型CPLD，以及和標準門陣列類似的FPGA。這兩種器件都具有體系結構和邏輯單元靈活、集成度高和適用范圍寬等特點，兼容了PLD和GAL的優點，可實現較大規模的電路，編程也很靈活。與門陣列等其他ASIC相比，這兩種器件具有設計開發周期短、設計制造成本低、開發工具先進、標準產品無須測試、質量穩定和可實時在線檢驗等優點，因此被廣泛應用于產品的原型設計和產品生產中。幾乎所有應用門陣列、PLD和中小規模通用數字集成電路的場合均可使用FPGA和CPLD。

20世紀90年代末以來，隨著可編程邏輯器件工藝和開發工具日新月異的發展，尤其是Xilinx公司和Altera公司不斷推出新一代超大規模可編程邏輯器件，FPGA與ASIC、DSP及CPU不斷融合，已成功地以硬核的形式嵌入ASIC、PowerPC、ARM，以HDL的形式嵌入越來越多的標準數字處理單元，如PCI控制器、以太網控制器、MicroBlaze處理器、NIOS和NIOS-Ⅱ處理器等。新技術的發展不僅實現了軟硬件設計的完美結合，也實現了靈活性與速度設計的完美結合，使得可編程邏輯器件超越了傳統意義上的FPGA，并以此形成了現在流行的片上系統（System on Chip，SoC）及片上可編程系統（System on a Programmable Chip，SoPC）設計技術，其應用領域擴展到了系統級，涵蓋了實時數字信號處理、高速數據收發器、復雜計算和嵌入式系統等設計的全部內容。

Xilinx公司于2003年率先推出了90 nm制造工藝的Spartan-3系列FPGA，于2011年推出28 nm制造工藝的7系列FPGA，并于2013年推出了20 nm制造工藝的UltraScale系列FPGA，且宣稱基于最新UltraScale系列FPGA的開發不但可實現從20 nm向16 nm乃至更高級FinFET技術的擴展，而且還可實現從單片向3D IC的擴展。作為可實現ASIC級性能的All Programmable架構，UltraScale系列FPGA不僅可解決總體系統吞吐量及延時限制問題，而且還可直接解決高級節點芯片之間的互連問題。

Altera公司于2004年首次推出90 nm制造工藝的Stratix-II系列FPGA后，緊接著于2006年推出了65 nm制造工藝的Stratix-III系列FPGA，于2008年推出了40 nm制造工藝的Stratix-IV系列FPGA，并于2010年先于Xilinx推出了28 nm制造工藝的Stratix-V系列FPGA。2013年，Altera推出了最新的基于14 nm三柵極制造工藝的Stratix-10系列FPGA。

隨著制造工藝技術的不斷進步，FPGA正向著低成本、高集成度、低功耗、可擴展性、高性能的目標不斷前進。相信FPGA的應用會得到更大的發展！FPGA的演進歷程如圖1-1所示。