可编程逻辑阵列（FPGA）

可编程逻辑阵列（FPGA）是一种可重构的数字电路开发平台，用户可通过编程方式重新定义电路结构，完成多种数字逻辑运算和数据处理任务。FPGA 由可编程逻辑单元（LUT）构成，LUT 是 FPGA 中实现布尔逻辑运算的基本单元。

FPGA 和 ASIC 的区别

ASIC（专用集成电路）是一种全定制化的芯片设计，开发前需要完整地设计和验证电路原理图。ASIC 消耗的成本和工作量非常高，一旦设计完成，电路结构和行为就无法更改。

相比之下，FPGA 可以通过修改程序实现不同的电路结构，无需重新设计原理图。这使 FPGA 可以快速应对复杂电路设计需求，并且项目开发成本低于 ASIC。ASIC 的优势在于更高的性能和更小的体积。

FPGA 的优点

FPGA 具有以下优点：

• 可重构性：可通过重新配置电路结构实现新的功能。
• 灵活性：可以灵活适应不同工作负载，选择不同的逻辑单元组成电路。
• 可编程性：通过软件工具进行设计和开发，提高电路设计的效率和灵活性。
• 易快速交付：在实验室环境下，开发 FPGA 电路的时间和成本比 ASIC 更低，可以更快地推向市场。

FPGA 的应用

FPGA 的应用涵盖了许多行业和领域，例如：

• 视频和音频处理
• 数字信号处理
• 网络加速器
• 工业自动化和控制系统
• 军事和航天电子系统

FPGA 设计流程

FPGA 设计流程分为以下几个阶段：

1. 需求定义：明确电路功能和性能指标。
2. 概念设计：在电路综合器上进行仿真，验证电路的设计并评估性能。
3. 软件设计：使用硬件描述语言编写电路代码。
4. 综合与布局：将电路代码转换为可在 FPGA 上实现的物理布局。
5. 实现与测试：将电路代码下载到 FPGA 上，测试其性能和功能。
6. 部署和维护：集成 FPGA 到最终系统产品中，并进行调试和维护。

硬件描述语言（HDL）

HDL 是一种用于描述数字电路的语言，FPGA 电路设计师主要使用 Verilog 和 VHDL 两种 HDL 语言。

下面是使用 Verilog 描述简单电路的例子：

module simple_logic(
    input A, B,
    output Y
);

assign Y = A & B;

endmodule

这个例子中的 simple_logic 模块实现了与门的逻辑功能。通过 assign 关键字将 Y 输出端口与 A 和 B 输入端口做逻辑“与”操作，当 A 和 B 同时为高电平时，Y 输出为高电平。

FPGA 开发工具

常用的 FPGA 开发工具有 Xilinx Vivado、Altera Quartus、Lattice Diamond 等。这些工具提供了图形化界面和终端命令行两种模式，可用于 FPGA 电路设计、仿真和实现等任务。

下面是使用 Xilinx Vivado 工具设计和实现 FPGA 电路的基本流程：

1. 创建工程：在 Vivado 中创建工程，选择 FPGA 型号和开发板型号。
2. 编写电路描述文件：使用 Verilog 或 VHDL 编写电路代码文件。
3. 新建源文件：将代码文件添加到设计工程中。
4. 仿真与综合：使用 Vivado 工具进行电路仿真和综合并生成适应于 FPGA 的位文件。
5. 下载到 FPGA 开发板进行测试。

参考资料

1. What is an FPGA
2. Getting Started with FPGA Design
3. FPGA Architecture Tutorial: Introduction To FPGA Architecture
4. HDL Programming Fundamentals: VHDL and Verilog