1.1 FPGA发展基础历史

第1章芯片基础FPGA设计与应用案例教程.2026本章概要本章简要介绍了可编程逻辑器件的发展过程，以GAL的典型结构说明可编程逻辑器件从实现组合逻辑到实现时序逻辑在电路上的改变，并对FPGA的可编程特性加以解释，以Altera和Xilinx芯片为代表对FPGA芯片结构进行说明，为后续的FPGA开发设计做准备。FPGA发展历史01Part1FPGA发展历史1.1FPGA的诞生数字逻辑是使用离散的数字信号来表示和处理信息的一种方式。数字逻辑电路的发展始于二十世纪三十到四十年代。乔治布尔的布尔代数和克劳德香农的开关电路理论为数字逻辑电路的发展奠定了重要的理论基础。二极管和三极管的发明为数字逻辑电路的实现提供了硬件可能。到了二十世纪五六十年代，随着集成电路技术的发展，数字逻辑电路得以进一步微型化。在计算机硬件、通信设备和工业控制系统等领域得到了广泛应用。1FPGA发展历史1.1FPGA的诞生随着数字逻辑器件在各个行业中的广泛应用，市场对这类器件的功能多样性和结构复杂性的需求日益增长。除了标准化的通用电路外，各种定制化、具有特殊功能的数字芯片需求也日益显现。然而，传统的ASIC（Application-SpecificIntegratedCircuit，专用集成电路）设计流程由于其较长的开发周期和高昂的成本，往往难以快速响应市场变化和满足特定应用需求。在这种背景下，PLD（ProgrammableLogicDevice，可编程逻辑器件）凭借其独特的优势，成为了解决这一难题的理想选择。与ASIC不同，PLD有现成的芯片“半成品”，它可以在设计完成后直接进行编程。又因为不需要昂贵的制造和测试过程，PLD的开发成本也较低。这使得PLD成为一种灵活且高效的解决方案，适用于需要频繁修改或定制逻辑功能的应用场景。1FPGA发展历史1.1FPGA的诞生可编程逻辑器件的发展经历了PROM（ProgrammableRead-OnlyMemory，可编程只读存储器）PLA（ProgrammableLogicArray，可编程逻辑阵列）PAL（ProgrammableArrayLogic，可编程阵列逻辑）GAL（GeneralProgrammableArrayLogic，通用可编程阵列逻辑）CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice，复杂PLD）FPGA（Field-ProgrammableGateArray，现场可编程门阵列）1FPGA发展历史1.1FPGA的诞生在发展初期，PLD在功能实现和灵活性方面存在一定的局限性，主要体现在逻辑门资源有限和一次性编程特性的限制。早期PLD电路包括PROM、PLA和PAL均由与阵列和或阵列构成，借助“积之和”的形式实现各种组合逻辑，它们之间的差异仅仅体现在是采用可编程与阵列还是可编程或阵列来实现相应的逻辑功能。1FPGA发展历史1.1FPGA的诞生为了更好地设计数字逻辑，GAL在电路上做了改进，增加了OLMC（OutputLogicMacroCell，输出逻辑宏单元）结构，在编程工艺上也使用了电可擦写，从而使器件具备可重复编程特性。以GAL16V8为例。1FPGA发展历史1.1FPGA的诞生GAL16V8有8个OLMC，可以通过内部结构实现多种逻辑功能和不同的输出电路结构，体现了PLD器件的通用性。OLMC内部结构如图1-2所示，每个OLMC的结构相同，包含四个多路选择器、一个D触发器和一些门电路，提供以下作用：提供时序电路需要的寄存器或触发器提供多种形式的输入/输出方式提供内部信号反馈，控制输出逻辑极性分配控制信号，如寄存器的时钟和复位信号，三态门的输出使能信号1FPGA发展历史1.1FPGA的诞生根据多路选择器的选择不同，OLMC可变化为四种不同的工作模式，使电路逻辑设计更为灵活。尤其是使用到D触发器的寄存器输出模式，打破了以往PLD只能进行组合逻辑运算的局限，也为后来发展为CPLD、FPGA等更复杂的可编程逻辑器件奠定了基础。1FPGA发展历史1.1FPGA的诞生GAL的逻辑门和触发器数量较少，可以用于时序逻辑设计，但是灵活性不足，主要适用于一些简单的逻辑控制和小规模的数字电路设计。对于复杂的通信协议处理、高速数据采集与处理等系统，GAL无法满足需求。之后FPGA应运而生。采用门阵列形式的FPGA具有更复杂的结构，包括大量的查找表（LUT）、触发器、I/O块以及丰富的互联资源，这些特性使得FPGA能够实现高度复杂的逻辑功能，能高速地处理数据。1FPGA发展历史1.2FPGA的发展在20世纪80年代，随着数字电路和集成电路技术的飞速发展，工程师们逐渐意识到传统的功能固化的集成电路难以满足不断变化的设计需求。在这种背景下，Xilinx公司于1985年推出了世界上第一款商用FPGA——XC2064。1FPGA发展历史1.2FPGA的发展紧随其后，Altera公司于1992年推出了其第一款FPGA——FLEX®8000。几年后Altera又分别推出了带有集成锁相环（PLL）和嵌入式模块RAM的芯片——FLEX10k。Lattice半导体公司在1989年推出了pLSI/ispLSI系列产品。1FPGA发展历史1.2FPGA的发展随着工艺技术的不断进步，FPGA的集成度和性能得到了显著提升。逻辑资源从最初的数千门发展到数百万门甚至更高，工作频率也从几十MHz提高到了GHz级别。由于FPGA结构变得越来越复杂，针对FPGA进行优化设计的自动综合、布局和布线的EDA工具出现成为必然，使用这些工具进行FPGA设计，逐渐成为FPGA开发的主流方法。各大FPGA厂商纷纷开发了配套的开发环境，如Xilinx公司的ISE和Vivado、Altera公司的QuartusII系列等，这些工具提供了从代码编写、仿真到板级调试的全流程支持，极大提高了设计效率和准确性。1FPGA发展历史1.2FPGA的发展最初的FPGA主要用于简单的数字逻辑设计，但随着技术的不断进步，FPGA的功能越来越强大。现代FPGA不仅支持复杂的数字逻辑设计，在引入了嵌入式处理器（如ARMCortex）、高速收发器（SERDES）等硬核IP之后，还能处理高速数据传输和信号处理任务，如高速串行通信、处理音视频和图像等。1FPGA发展历史1.2FPGA的发展大约2017年开始，FPGA进入了新纪元，其核心聚焦于数据加速领域，这要归因于大数据、人工智能等技术的蓬勃发展，对数据处理的效率提出了严格要求。FPGA凭借其可重构特性与并行计算能力，能根据特定的数据任务进行灵活配置，优化算法执行流程，实现高效的数据处理加速。现在的FPGA已经成为计算引擎，在微软Azure和亚马逊WebServices等应用的数据中心得到了大批量的部署。1FPGA发展历史1.2FPGA的发展随着技术的发展，FPGA的市场格局也经历了巨大变革。2015年12月英特尔（Intel）斥资167亿美元收购了Altera公司，计划将FPGA集成到CPU芯片中，结合FPGA配置灵活且实时性强的优势，更好地打造高性能处理器。2022年AMD正式官宣完成了对Xilinx公司的收购，将主处理器和协处理器进行更好的协作，借助Xilinx在自适应高性能运算方面的软硬件综合实力，使AMD在云计算、边缘计算和智能设备市场更具竞争力。1FPGA发展历史1.3什么是FPGAFPGA，全称是现场可编程门阵列（Field-ProgrammableGateArray），是一种可以通过编程来进行现场配置的半导体设备，具有集成度高、编程灵活、适配性强的特点。图1-4为2019年4月Intel公司推出的最新一代10纳米FPGA。理解FPGA，可以从现场可编程和门阵列结构两方面着手。1FPGA发展历史1.3什么是FPGAFPGA是一种超大规模集成电路，逻辑资源动辄以百万计，例如Xilinx的ZynqUltraScale+MPSoC系列可以提供高达500万个逻辑单元。这些逻辑单元就像室一个个“小积木”，通过对逻辑单元的配置和连接，就能够替代大量逻辑门和存储配件组合的功能，实现用户所需的数字电路设计。2019年，英特尔发布全球最大容量的Stratix10GX10MFPGA，它拥有1020万个逻辑单元，集成了433亿个晶体管。1FPGA发展历史1.3什么是FPGAFPGA是一种现场可编程器件。现场可编程特性是芯片的功能逻辑可以通过编程来改变或配置。用户可以在不更改芯片外部连接的情况下，通过编程来调整电路的参数、功能或行为。可以编程的器件有很多种类，大多都是在软件层面进行更新或升级，其硬件从出厂开始已经完成电路结构的固化和封装。比如单片机，主要通过编写代码控制内部硬件资源的使用与否，必须在预先设定好的硬件架构基础上进行软件设计。而FPGA的现场可编程特性体现在使用硬件描述语言可以通过多个层级的描述对电路进行编程，用户能够自由定义芯片内部的逻辑单元、连线方式等，在芯片搭建私人定制的数字电路。同样是进行代码编程，单片机的可编程特性体现在软件层面，FPGA的可编程特性体现在硬件层面，是用软件改变硬件的典型代表。1FPGA发展历史1.3什么是FPGAFPGA芯片结构脱胎于门阵列母片。门阵列母片是一种“半成品”集成电路，把每个门单元做成标准化的版图形状，在一块芯片上排列成阵列形式，在行、列之间留有布线通道。输入输出电路分布在芯片四周，电源线和地线一般呈网状分枝遍布芯片，根据用户的功能需求选择合适的门单元连接生