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摘要： FPGA（Field Programmable Gate Array）即现场可编程门阵列，是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。FPGA的使用非常灵活，同一芯片可以通过不同的编程数据产生不同的电路功能。FPGA在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域得到广泛应用。随着功耗和成本的进一步降低，FPGA还将进入更多的应用领域。首先介绍FPGA芯片基本特点，设计原则和流程，并深入分析FPGA应用情况。
关键词： FPGA芯片；设计流程；应用
中图分类号：TH7 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0310193－01
FPGA是集成度很高的一种集成电路，用户可对FPG内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现不同的功能，因而也被用于CPU的模拟。用户对FPGA的编程数据放在Flash芯片中，通过上电加载到FPG中，对其进行初始化。也可在线对其编程，实现系统在线重构，这一特性可构建一个根据计算任务不同而实时定制的CPU，这是当今研究的热门领域。
1 FPGA芯片基本特点
1）FPGA内部具有丰富的触发器和输入/输出引脚，且能支持不同的I/O标准，克服了原有可编辑器件门电路有限的缺陷。
2）FPGA是专用集成电路中设计周期最短、成本最低、风险最小的器件之一。
3）FPGA可作其他全定制或半定制ASIC电路的中试样片，解决了定制电路的不足。
4）FPGA一般采用SRAM工艺，集成度高、功耗低，并且能与CMOS、TTL电平兼容。
5）FPGA无需专用编程器，只需更换一片EPROM即可修改其功能，使用灵活方便。
2 FPGA设计指导原则
FPGA设计技术的关键就是利用强有力的设计工具来缩短开发周期、提供元器件的高效利用率以及在性能与设计规模之间做出最佳的选择。对于一个数字信号处理系统的设计，描述可分为五个不同的抽象层次：
1）系统级（System Level）。主要是针对整个系统的性能描述，是系统的最高层次的抽象描述。
2）行为级（Behavioral Level）。对系统进行结构划分，接着就是对每一个功能模块完成行为描述，有时也称为算法级或功能级。
3）RTL级（Register Transport Level）。行为级所描述的算法或功能等，最终要以数字电路来实现，而数字电路从本质上可以看作是寄存器与组合逻辑两种类型的合成。
4）逻辑门级（Gate Level）。上一层的RTL级中用到了寄存器与组合逻辑两种类型的电路，而无论是组合逻辑还是寄存器，都是通过各种基本的逻辑门实现的。
5）开关级（Switch Level）。从逻辑门再往下看，就到了具体的晶体管开关级。虽然FPGA是可编程的，但物理结构是固定的，所以在FPGA的设计中没有开关级的描述。可编程逻辑设计有许多内在规律可循，总结并掌握这些规律对于较深刻地理解可编程逻辑设计技术非常重要。
3 FPGA设计流程
1）设计输入。完成由系统设计理念到网络表的转换，使得开发系统能够理解设计者的设计目的。设计输入主要包括原理图输入、波形输入和文本编辑输入等。主要完成的功能有：元器件选型、原理图或状态机设计、VHDL语言设计。
2）功能仿真。功能仿真也叫前仿真，其目的是在忽略器件延时的基础上验证设计逻辑是否正确。此时器件没有延时，对于最初的功能检测非常重要。正常情况下，用户设计的每一个模块都要进行功能仿真，以便及时发现错误。
3）设计的综合与布局布线。功能仿真之后就要进行该步骤，综合是将多个模块化设计文件合并为一个网表文件，使层次设计平面化。整个过程可分为：网表转换、映射、布局和布线、产生时序数据、产生配置文件5个步骤。综合结束之后，所产生的报告文件内容有：片内资源利用率、输入/输出引脚分布情况及引脚到引脚间的延迟、系统最大延迟与最小延迟、系统最高工作频率与最低工作频率等，供优化设计参考。
4）时序仿真。时序仿真也叫后仿真。由于不同器件的内部延时不同，不同的布局布线也会给延时带来不同的影响。因此，在设计处理后，对系统和各模块进行时序仿真，分析时序关系，估计时序性能。如果仿真结果显示由于延迟影响而造成逻辑错误，就需要修改设计或在设计输入时对关键电路进行设计约束，并可直接在设计输入中修改受影响的路径或利用设计约束文件加以限制，最终消除延迟对电路的影响。
5）系统验证。系统验证是将FPGA配置信息加载到FPGA内部后，通过外部观测设备（如逻辑分析仪、数字示波器等）来验证FPGA实现的功能。通过系统验证后，可认为基于FPGA的系统设计任务基本完成。
4 FPGA的应用
FPGA的应用可分为三个层面：电路设计，产品设计，系统设计。
1）电路设计中FPGA的应用。连接逻辑、控制逻辑是FPGA早期发挥作用比较大的领域，也是FPGA应用的基石。在电路设计中应用FPGA的难度是很大的，这要求开发者要具备相应的硬件知识和软件应用能力。然而，FPGA这项新技术的发展前景很好，因此从事新技术，新产品的开发将变成市场主流，在不远的将来，通用和专用IP的设计将成为一个热门行业！
2）产品设计。把相对成熟的技术应用到某些特定领域如通讯，视频，信息处理等，使得开发出的产品能够满足行业需要并能被客户接受，这主要是FPGA技术和专业技术相结合的问题。FPGA技术是一种实现手段，因为FPGA具备其它技术没有的接口，控制，功能IP，内嵌CPU等，有条件有能力实现一个构造简单、功能全面的系统产品设计，这将是FPGA技术应用最广大的市场。产品设计是一种职业发展方向，是一个近期的发展热点和机遇。
3）系统级应用。系统级的应用是将FPGA与传统的计算机技术结合，实现一种FPGA版的计算机系统，如用Xilinx V-4，V-5系列的FPGA，实现内嵌POWER PC CPU，然后再配合各种外围功能，实现一个基本环境。搞系统级应用看似起点高，但不具备深层开发能力，但也肯定是一个竞争很激烈的行业，关键看的就是速度和深度当然还有市场适应能力。
参考文献：
[1]张洪润、张亚凡，FPGA/CPLD应用设计200例[M].北京航空航天大学出版社，2009.
[2]赵雅兴，FPGA原理、设计与应用[M].天津大学出版社，1999.
[3]刘韬、楼兴华，FPGA数字电子系统设计与开发实例导航[M].人民邮电出版社，2005.
作者简介：
黄耀兴，男，福建省漳州市人，天津工业大学信息与通信工程学院。
关键词： FPGA芯片；设计流程；应用
中图分类号：TH7 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0310193－01
FPGA是集成度很高的一种集成电路，用户可对FPG内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现不同的功能，因而也被用于CPU的模拟。用户对FPGA的编程数据放在Flash芯片中，通过上电加载到FPG中，对其进行初始化。也可在线对其编程，实现系统在线重构，这一特性可构建一个根据计算任务不同而实时定制的CPU，这是当今研究的热门领域。
1 FPGA芯片基本特点
1）FPGA内部具有丰富的触发器和输入/输出引脚，且能支持不同的I/O标准，克服了原有可编辑器件门电路有限的缺陷。
2）FPGA是专用集成电路中设计周期最短、成本最低、风险最小的器件之一。
3）FPGA可作其他全定制或半定制ASIC电路的中试样片，解决了定制电路的不足。
4）FPGA一般采用SRAM工艺，集成度高、功耗低，并且能与CMOS、TTL电平兼容。
5）FPGA无需专用编程器，只需更换一片EPROM即可修改其功能，使用灵活方便。
2 FPGA设计指导原则
FPGA设计技术的关键就是利用强有力的设计工具来缩短开发周期、提供元器件的高效利用率以及在性能与设计规模之间做出最佳的选择。对于一个数字信号处理系统的设计，描述可分为五个不同的抽象层次：
1）系统级（System Level）。主要是针对整个系统的性能描述，是系统的最高层次的抽象描述。
2）行为级（Behavioral Level）。对系统进行结构划分，接着就是对每一个功能模块完成行为描述，有时也称为算法级或功能级。
3）RTL级（Register Transport Level）。行为级所描述的算法或功能等，最终要以数字电路来实现，而数字电路从本质上可以看作是寄存器与组合逻辑两种类型的合成。
4）逻辑门级（Gate Level）。上一层的RTL级中用到了寄存器与组合逻辑两种类型的电路，而无论是组合逻辑还是寄存器，都是通过各种基本的逻辑门实现的。
5）开关级（Switch Level）。从逻辑门再往下看，就到了具体的晶体管开关级。虽然FPGA是可编程的，但物理结构是固定的，所以在FPGA的设计中没有开关级的描述。可编程逻辑设计有许多内在规律可循，总结并掌握这些规律对于较深刻地理解可编程逻辑设计技术非常重要。
3 FPGA设计流程
1）设计输入。完成由系统设计理念到网络表的转换，使得开发系统能够理解设计者的设计目的。设计输入主要包括原理图输入、波形输入和文本编辑输入等。主要完成的功能有：元器件选型、原理图或状态机设计、VHDL语言设计。
2）功能仿真。功能仿真也叫前仿真，其目的是在忽略器件延时的基础上验证设计逻辑是否正确。此时器件没有延时，对于最初的功能检测非常重要。正常情况下，用户设计的每一个模块都要进行功能仿真，以便及时发现错误。
3）设计的综合与布局布线。功能仿真之后就要进行该步骤，综合是将多个模块化设计文件合并为一个网表文件，使层次设计平面化。整个过程可分为：网表转换、映射、布局和布线、产生时序数据、产生配置文件5个步骤。综合结束之后，所产生的报告文件内容有：片内资源利用率、输入/输出引脚分布情况及引脚到引脚间的延迟、系统最大延迟与最小延迟、系统最高工作频率与最低工作频率等，供优化设计参考。
4）时序仿真。时序仿真也叫后仿真。由于不同器件的内部延时不同，不同的布局布线也会给延时带来不同的影响。因此，在设计处理后，对系统和各模块进行时序仿真，分析时序关系，估计时序性能。如果仿真结果显示由于延迟影响而造成逻辑错误，就需要修改设计或在设计输入时对关键电路进行设计约束，并可直接在设计输入中修改受影响的路径或利用设计约束文件加以限制，最终消除延迟对电路的影响。
5）系统验证。系统验证是将FPGA配置信息加载到FPGA内部后，通过外部观测设备（如逻辑分析仪、数字示波器等）来验证FPGA实现的功能。通过系统验证后，可认为基于FPGA的系统设计任务基本完成。
4 FPGA的应用
FPGA的应用可分为三个层面：电路设计，产品设计，系统设计。
1）电路设计中FPGA的应用。连接逻辑、控制逻辑是FPGA早期发挥作用比较大的领域，也是FPGA应用的基石。在电路设计中应用FPGA的难度是很大的，这要求开发者要具备相应的硬件知识和软件应用能力。然而，FPGA这项新技术的发展前景很好，因此从事新技术，新产品的开发将变成市场主流，在不远的将来，通用和专用IP的设计将成为一个热门行业！
2）产品设计。把相对成熟的技术应用到某些特定领域如通讯，视频，信息处理等，使得开发出的产品能够满足行业需要并能被客户接受，这主要是FPGA技术和专业技术相结合的问题。FPGA技术是一种实现手段，因为FPGA具备其它技术没有的接口，控制，功能IP，内嵌CPU等，有条件有能力实现一个构造简单、功能全面的系统产品设计，这将是FPGA技术应用最广大的市场。产品设计是一种职业发展方向，是一个近期的发展热点和机遇。
3）系统级应用。系统级的应用是将FPGA与传统的计算机技术结合，实现一种FPGA版的计算机系统，如用Xilinx V-4，V-5系列的FPGA，实现内嵌POWER PC CPU，然后再配合各种外围功能，实现一个基本环境。搞系统级应用看似起点高，但不具备深层开发能力，但也肯定是一个竞争很激烈的行业，关键看的就是速度和深度当然还有市场适应能力。
参考文献：
[1]张洪润、张亚凡，FPGA/CPLD应用设计200例[M].北京航空航天大学出版社，2009.
[2]赵雅兴，FPGA原理、设计与应用[M].天津大学出版社，1999.
[3]刘韬、楼兴华，FPGA数字电子系统设计与开发实例导航[M].人民邮电出版社，2005.
作者简介：
黄耀兴，男，福建省漳州市人，天津工业大学信息与通信工程学院。