在 20 世紀 80 年代，現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 的早期，半導體技術的局限性意味著器件小巧簡單。這些早期的 FPGA 僅具有數(shù)百個邏輯門，用于將以前在多個分立邏輯組件中實現(xiàn)的功能集成到單個可編程芯片中。隨著設計工程師認識到 FPGA 能夠減少元件數(shù)量、節(jié)省電路板空間和簡化電路板布局所帶來的價值，F(xiàn)PGA 市場迅速增長。

半導體技術的進步意味著 FPGA 自 20 世紀 80 年代以來已經(jīng)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，成為我們今天所知的大型復雜器件：在高端市場，F(xiàn)PGA 具有數(shù)百萬個門、支持高于 30 Gbps 數(shù)據(jù)傳輸速率的超高速接口，以及實現(xiàn)嵌入式處理器、PLL、功能性 SRAM 存儲器等的多個硬連線 IP 塊。

高端 FPGA 是數(shù)據(jù)處理、成像和高帶寬通信設備等應用的主要解決方案，吸引了最多的關注，并占據(jù)了行業(yè)營銷和促銷資金的最大份額。但請記住，小型 FPGA 最初發(fā)揮的作用仍然具有價值，例如：

• 膠合邏輯集成

• 簡單計數(shù)器或 PWM

• 基本狀態(tài)機

• 控制邏輯

• I/O 和接口橋接

• I/O 擴展器

• 多個傳感器輸入的聚合

• 電壓監(jiān)測

小型、低成本和低端 FGPA 的活躍市場支持這些功能及其他功能。它對 OEM 廠商的重要性體現(xiàn)在最近 FPGA 市場的新進入者瑞薩的到來。

然而，對于 FPGA 在主流工業(yè)和消費電子設備中的適用性，人們的看法仍然存在分歧。熟悉微控制器的設計工程師通常將 FPGA 視為一個陌生的概念：昂貴、耗電且難以使用。

Xilinx（現(xiàn)在是 AMD 的一部分）和英特爾提供的高端 FPGA 可能是如此。萊迪思半導體、Microchip 和瑞薩提供的低端 FPGA并非如此。事實上，與 MCU 相比，F(xiàn)PGA 的使用在許多功能上具有幾個重要優(yōu)勢。

在 MCU 中，任務是在軟件中按順序執(zhí)行的。在 FPGA 中，任務在硬件中并行執(zhí)行。因此 FPGA 操作具有有吸引力的特性：高度確定性的性能、低延遲、定制硬件的靈活性以及極低的功耗。

本文介紹了 FPGA 的基本操作，以及 FPGA 制造商提供的設計工具如何使電子系統(tǒng)設計中的 FPGA 實施變得簡單且可預測。

FPGA 的基本架構

FPGA 由三個基本元件組成，如圖 1 所示：

• 可編程邏輯元件 (LE)

• 可編程路由互連

• 可配置的 I/O，提供與外部世界的通信

圖 1：FPGA 提供高度可編程的硬件結構

邏輯元件由可配置查找表（LUT）和順序元件（SE）組成。LUT 可以配置成任何類型的組合邏輯，例如 OR、AND 或 XOR。SE 通常配置成簡單的觸發(fā)器。

• LE 是FPGA 的基本功能塊，這也是每個FPGA 根據(jù)其包含的LE 數(shù)量進行分類的原因。FPGA市場的低端產(chǎn)品涵蓋了幾百個LE到10,000個LE之間的FPGA

• 可編程互連將配置的 LE 連接在一起，以實現(xiàn)應用所需的功能

• I/O也是可編程的，并且可以配置為支持任何 I/O 接口標準

實現(xiàn)這些元素的底層硬件是大量的可編程開關。在大多數(shù) FPGA 中，每次 FPGA 上電時，這些開關都會重新編程。這需要將編程文件存儲在配置存儲器中：該存儲器可以位于 FPGA 芯片內(nèi)部，也可以位于外部。

Microchip FPGA 是這一規(guī)則的例外：它們的可編程開關采用類似于非易失性閃存的技術制成。 它們可以直接編程，不需要編程文件或配置存儲器。

如何配置FPGA硬件

所有 FPGA 制造商都提供自己的設計工具來生成此編程文件，通常稱為比特流。每個制造商的工具基本上都與其他制造商相似。這些工具提供以下功能：

• 使用標準硬件描述語言 (HDL)（VHDL 或 Verilog）進行功能描述

• 程序綜合

• 布局布線

• 編程文件生成

圖 2：FPGA 設計流程由每個 FPGA 制造商為其器件提供的工具提供支持

時序分析是設計流程的一部分，用于檢查影響信號通過路由結構傳輸?shù)膫鞑パ舆t是否與應用的性能要求一致，如圖 2 所示。仿真和驗證HDL工具生成的代碼也很重要，以驗證編程到FPGA中的功能是否按照設計規(guī)范運行。

在整個FPGA開發(fā)過程中，沒有什么比時序分析和RTL仿真的實現(xiàn)更困難了，而且它們也不是特別復雜。所有其他階段均由設計工具自動執(zhí)行，只需幾分鐘即可在標準筆記本電腦上執(zhí)行。

每個FPGA制造商都提供自己的工具集；它們之間的主要區(qū)別在于圖形用戶界面。只要源代碼是使用標準 VHDL 或 Verilog 描述語言編寫的，就可以輕松地從一種語言遷移到另一種語言。FPGA 用戶通常可以通過免許可證使用這些工具。FPGA 評估板很容易以低成本獲得。因此，對于想要開始嘗試低端 FPGA 的工程師來說，工具和資源的成本并不是障礙。

低端FPGA產(chǎn)品的多種選擇

低端 FPGA 市場由三個制造商提供服務：Microchip、萊迪思和最近加入的瑞薩。

Microchip的產(chǎn)品組合主要面向中端 FPGA 市場。然而，IGLOO? 2 閃存 FPGA 系列中的入門級器件確實算作低端 FPGA，如圖 3 所示。

圖 3：Microchip IGLOO 2 FPGA 產(chǎn)品系列中低端器件的主要特性

Microchip 提供 Libero SoC 工具，用于 IGLOO 2 FPGA 的開發(fā)。可為最多 25,000 個 LE 的器件提供免許可證。IGLOO 2 FPGA 以其眾多的存儲器選項而著稱，包括功能嵌入式非易失性存儲器以及高速接口。

萊迪思長期以來一直堅持支持低門密度FPGA市場的政策，并擁有基于兩個系列的強大產(chǎn)品：XO2/XO3和iCE40。

XO2/XO3 系列基于易失性技術，它在與 FPGA 矩陣相同的芯片上提供配置存儲器，為設計人員提供單芯片 FPGA 解決方案，無需外部配置存儲器。

XO2/XO3 器件提供多種密度選項，從 256 個 LE 到最多 10,000 個 LE。它們的主要特點是：

• 憑借片上非易失性配置存儲器，幾乎可以即時啟動操作

• 單電壓和低功耗選項

• 硬連線 I2C 和串行外設接口、PLL、閃存和內(nèi)部振蕩器

萊迪思提供免許可證的 XO2/XO3 的 Diamond 設計工具。

萊迪思的另一個低端 FPGA 系列 iCE40 系列分為幾個子系列：iCE40LP、iCE40UL、iCE5LP、iCE40UP、iCE40LM 和 iCE40HX。該系列涵蓋從 384 個 LE 到 8,000 個 LE 的范圍。在 iCE40 系列中，萊迪思針對低功耗和小尺寸優(yōu)化了功耗/尺寸/性能的權衡：具有低于 100 μA的市場最低的靜態(tài)電流。iCE40 還采用 FPGA 業(yè)界最小的封裝，尺寸僅為 1.4 mm x 1.4 mm。

瑞薩是第三個低端 FPGA 制造商，是最近進入該市場的公司。瑞薩以其 GreenPAK? 可編程混合信號產(chǎn)品技術而聞名。現(xiàn)在，新的 FPGA 產(chǎn)品對該技術進行了補充。

ForgeFPGA? 系列提供相對少量的可編程邏輯，可以快速有效地設計到成本敏感型應用中。與其他替代方案（包括非 FPGA 設計）相比，F(xiàn)orgeFPGA 器件可顯著節(jié)省成本。瑞薩為其 FPGA 提供免許可證的 GoConfigure? 設計軟件中心。

瑞薩的 ForgeFPGA 器件系列具有 1,000 個 LE 至 4,000 個 LE，預計將于 2024 年提供樣片和量產(chǎn)。

低端 FPGA：非專業(yè)人士的便捷選擇

FPGA 被廣泛認為是一種高端、高成本、難以使用的高端應用產(chǎn)品。

事實上，低端FPGA恰恰相反。因此，富昌電子提出了一種關于 FPGA 的新方法，以認識到它們在普通工業(yè)和消費應用中的優(yōu)勢，例如機器人手臂的多電機控制、工廠設備的監(jiān)控/警報管理、電動汽車充電器的逆變器、電池管理系統(tǒng)、智能建筑和智能城市應用中的傳感器信號處理等。

這些確定性低功耗設備的使用范圍非常廣泛。首次探索低端 FPGA 的微控制器開發(fā)人員會發(fā)現(xiàn)，他們可以從中獲益匪淺。

評估套件：適用于 IGLOO2 FPGA 的 M2GL-EVAL-KIT

支持的元器件：M2GL010T-1FGG484

IGLOO2 評估套件可以更輕松地開發(fā)基于 IGLOO2 FPGA 的電機控制、系統(tǒng)管理、工業(yè)自動化或高速串行 I/O 應用的嵌入式設備。這些 FPGA 以其強大的功能集成、低功耗、卓越的可靠性和經(jīng)驗證的安全性而聞名。

IGLOO2 評估套件提供了一個平臺，用于為基于 PCI Express 和千兆位以太網(wǎng)的系統(tǒng)開發(fā)基于收發(fā)器 I/O 的 FPGA 設計。該板符合小型 PCIe 外形，能夠使用任何帶有 PCIe 插槽的臺式電腦或筆記本電腦進行快速原型設計和評估。

該套件使開發(fā)人員能夠:

• 開發(fā)和測試 PCI Express Gen2 x1 通道設計

• 使用全雙工 SERDES SMA 對來測試 FPGA 收發(fā)器的信號質(zhì)量

• 測量IGLOO2 FPGA的低功耗

• 快速創(chuàng)建工作的PCIe鏈路

該板包括一個連接 10/100/1000 以太網(wǎng)的 RJ45 接口、512 Mb LPDDR、64 Mb SPI 閃存、USB-UART 連接以及 I2C、SPI 和 GPIO 接頭。