1.3　FPGA概念及其在信号处理中的应用

1.3.1　基本概念及发展历程

1. 基本概念

随着数字集成电路的发展，越来越多的模拟电路逐渐被数字电路取代，同时数字集成电路本身也在不断地进行更新换代，由早期的电子管、晶体管、中小规模集成电路发展到超大规模集成电路，以及许多具有特定功能的专用集成电路。但是，随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路的任务已不完全由半导体厂商来独立承担。电子工程师们更愿意自己设计专用集成电路，而且希望ASIC的设计周期尽可能短，最好是在实验室里就能设计出合适的ASIC，并且立即投入实际的工程应用之中，因而出现了可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD），其中应用最广泛的为现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）和复杂可编程逻辑器件（Complex Programmable Logic Device，CPLD）。PLD的主要特点是其功能完全由用户通过特定软件编程控制，并完成相应功能，且可反复擦写。这样，用户在用PLD设计好PCB（Printed Circuit Board，印制电路板）后，只要预先安排好PLD引脚的硬件连接，就可通过软件编程的方式灵活改变PLD的功能，从而达到改变PCB功能的目的。这种方法不需对PCB进行任何更改，从而大大缩短了产品的开发周期和成本。也就是说，由于使用了PLD进行设计，硬件设计已部分实现了软件化。随着生产工艺的不断革新，高密度、超大规模FPGA/CPLD越来越多地在电子信息类产品设计中得到应用，同时由于DSP、ARM（Advanced RISC Machines）与FPGA相互融合，在数字信号处理等领域，已出现了具有较强通用性的硬件平台，核心硬件设计工作正逐渐演变为软件设计。

2. 发展历程

早期的可编程逻辑器件在20世纪70年代初出现，这一时期只有可编程只读存储器（Programmable Read-only Memory，PROM）、可擦除可编程只读存储器（Erasable PROM，EPROM）和电可擦除只读存储器（Electrically EPROM，EEPROM）三种。这类器件结构相对简单，只能完成简单的数字逻辑功能，但也足以给数字电路设计带来巨大变化。

20世纪70年代中期出现了结构稍复杂的可编程芯片，即可编程逻辑器件，它能够完成各种数字逻辑功能。典型的PLD由与门和或门阵列组成。由于任意一个组合逻辑都可以用与或表达式来描述，所以PLD能以乘积项的形式完成大量的组合逻辑功能。这一阶段的产品主要有可编程阵列逻辑（Programmable Array Logic，PAL）和通用阵列逻辑（Generic Array Logic，GAL）。PAL由一个可编程的与平面和一个固定的或平面构成，PAL是现场可编程的。还有一类结构更为灵活的逻辑器件是可编程逻辑阵列（Programmable Logic Array，PLA），它也由一个与平面和一个或平面构成，但这两个平面的连接关系是可编程的。PLA既有现场可编程的，也有掩膜可编程的。在PAL的基础上又发展了一种通用阵列逻辑，如GAL16V8、GAL22V10等，实现了电可擦除、电可改写，其输出结构是可编程的逻辑宏单元，因而它的设计具有很强的灵活性，至今仍有许多人使用。这些早期PLD的一个共同特点是，可以实现速度特性较好的逻辑功能，但过于简单的结构也使它们只能实现规模较小的电路。

为了弥补这一缺陷，20世纪80年代中期，Altera和Xilinx两家公司分别推出了类似PAL结构的扩展型CPLD，以及和标准门阵列类似的FPGA。这两种器件都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高和适用范围宽等特点，兼容了PLD和GAL的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与门阵列等其他ASIC相比，这两种器件具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无须测试、质量稳定和可实时在线检验等优点，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产中。几乎所有应用门阵列、PLD和中小规模通用数字集成电路的场合均可使用FPGA和CPLD。

20世纪90年代末以来，随着可编程逻辑器件工艺和开发工具日新月异的发展，尤其是Xilinx公司和Altera公司不断推出新一代超大规模可编程逻辑器件，FPGA与ASIC、DSP及CPU不断融合，已成功地以硬核的形式嵌入ASIC、PowerPC、ARM，以HDL的形式嵌入越来越多的标准数字处理单元，如PCI控制器、以太网控制器、MicroBlaze处理器、NIOS和NIOS-Ⅱ处理器等。新技术的发展不仅实现了软硬件设计的完美结合，也实现了灵活性与速度设计的完美结合，使得可编程逻辑器件超越了传统意义上的FPGA，并以此形成了现在流行的片上系统（System on Chip，SoC）及片上可编程系统（System on a Programmable Chip，SoPC）设计技术，其应用领域扩展到了系统级，涵盖了实时数字信号处理、高速数据收发器、复杂计算和嵌入式系统等设计的全部内容。

Xilinx公司于2003年率先推出了90 nm制造工艺的Spartan-3系列FPGA，于2011年推出28 nm制造工艺的7系列FPGA，并于2013年推出了20 nm制造工艺的UltraScale系列FPGA，且宣称基于最新UltraScale系列FPGA的开发不但可实现从20 nm向16 nm乃至更高级FinFET技术的扩展，而且还可实现从单片向3D IC的扩展。作为可实现ASIC级性能的All Programmable架构，UltraScale系列FPGA不仅可解决总体系统吞吐量及延时限制问题，而且还可直接解决高级节点芯片之间的互连问题。

Altera公司于2004年首次推出90 nm制造工艺的Stratix-II系列FPGA后，紧接着于2006年推出了65 nm制造工艺的Stratix-III系列FPGA，于2008年推出了40 nm制造工艺的Stratix-IV系列FPGA，并于2010年先于Xilinx推出了28 nm制造工艺的Stratix-V系列FPGA。2013年，Altera推出了最新的基于14 nm三栅极制造工艺的Stratix-10系列FPGA。

随着制造工艺技术的不断进步，FPGA正向着低成本、高集成度、低功耗、可扩展性、高性能的目标不断前进。相信FPGA的应用会得到更大的发展！FPGA的演进历程如图1-1所示。

图1-1　FPGA的演进历程