如何学习FPGA周立功

作为初学者应该如何来学习FPGAFPGA

作为一种高新的技术，已经逐渐普及到了各行各业，无论是消费类、通信类、电子行业都无处不在它的身影，从1985年第一颗FPGA诞生至今，FPGA已经历了将近20多个年头，从当初的几百个门电路到现在的几百万门、几千万门……，从原来的上千元的天价到现在几元的超低价，可谓是出现了翻天覆地的变化。所以当前正是学习FPGA的最好时机，无论是社会的需求也好，还是技术的成熟度也好，已经达到了前所未有的高度，我们可以花更少的成本，并以最快的速度掌握一种新的前沿技术，对我们的未来发展将会是非常大的帮助。

作为一个FPGA的初学者必须要了解以下几个问题：什么是FPGA？为什么要学习FPGA？如何去学FPGA？

1.1 什么是FPGA？

FPGA是Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

FPGA诞生于1985年，当时第一个FPGA采用2μm工艺，包含64个逻辑模块和85000个晶体管，门数量不超过1000个，由名为Ross Freema所发明，当时他所创造的FPGA被认为是一个不切实际发明，他的同事Bill Carter曾说：“这种理念需要很多晶体管，并且那时晶体管是非常珍贵的东西。”，所以人们认为Ross的想法过于脱离现实。但是Ross预计：根据摩尔定律（每18个月晶体管密度翻一翻），晶体管肯定会越来越便宜，因此它就越来越常见。在短短的几年内，正如Ross所预言的，出现了数十亿美元的现场可编程门阵列（FPGA）市场。但是可惜的是，他无法享受这一派欣欣向荣的景象，在1989年Ross Freeman就与世长辞了，但是它的发明却持续不断地促进电子行业的进步与发展。

我们都知道构成数字逻辑系统最基本的单元是与门、或门、非门等，而他们都是用三极管、二极管和电阻等元件构成，然后与门、或门、非门又构成了各种触发器，实现状态记忆，FPGA属于数字逻辑电路的一种，同样由这些最基本的元件构成。一个FPGA可以将上亿个门电路组合在一起，集成在一个芯片内，打破以往需要用庞大分立门电路元器件搭建的历史，不仅电路面积、成本大大减小，而且可靠性得到了大幅度的提升。

一般的FPGA内部是由最小的物理逻辑单位LE、布线网络、输入输出模块以及片内外设组成，所谓的最小物理逻辑单元是指用户无法修改的、固定的最小的单元，我们只能将这些单元通过互联线将其连接起来，然后实现用户特定的功能。一个LE由触发器、LUT以及控制逻辑组成，可以实现组合逻辑和时序逻辑；随着FPGA集成度的不断增加，其内部的片内外设也越来越多，内部可集成SRAM、Flash、AD、RTC等外设，真正实现单芯片解决整个系统功能的目的。所以我们所理解的FPGA最底层是一些实实在在的门电路构成，然后由门电路构成最小的物理逻辑单元，然后通过布线层将这些最小物理逻辑单元连接成用户需要的特定功能，我们所需要控制的是布线层之间的互连开关，这也是我们编程的对象，通过这些开关来改变功能。

当今的FGPA按工艺分主要有SRAM工艺和Flash工艺（工艺是针对它们的编程开关来说的）两类，SRAM工艺的FPGA最大的特点是掉电数据会丢失，无法保存，所以它们的系统除了一个FPGA以外，外部还需要增加一个配置芯片用于保存编程数据，每次上电的时候都需要从这个配置芯片将配置数据流加载到FPGA，然后才能正常的运行；但是Flash架构的FPGA掉电不会丢失数据，无需配置芯片，上电即可运行，它的特点非常类似ASIC，但是又比ASIC更加的灵活，可以重复编程。在一些小规模的公司或者产品量不是很大的时候往往更倾向于用FPGA来取代ASIC，不仅能够降低风险，而且能够降低成本。

1.2 为什么要学习FPGA？

FPGA从诞生以来，经历了从配角到主角的过程，从初期开发应用到限量生产应用再到大批量生产应用的发展历程。从技术上来说，最初只是逻辑器件，现在强调平台概念，加入数字信号处理、嵌入式处理、高速串行和其他高端技术，从而被应用到更多的领域，正因为其飞速的发展，让更多学FPGA的人看到了希望，其广阔的前景正是我们选择的原因之一。

1．广阔的发展前景

据市场调研公司Gartner Dataquest预测，2010年FPGA和其它可编程逻辑器件(PLD)市场将从2005年的32亿美元增长到67亿美元，未来还将有不断往上增长的趋势。FPGA及PLD 产业发展的最大机遇是替代ASIC和专用标准产品(ASSP)，由ASIC和ASSP构成的数字逻辑市场规模大约为350亿美元。由于用户可以迅速对PLD进行编程，按照需求实现特殊功能，与ASIC和ASSP相比，PLD在灵活性、开发成本以及产品及时面市方面更具优势，所以未来FPGA将会是一个非常有前景的行业。

FPGA由于其结构的特殊性，可以重复编程，开发周期较短，越来越受人们的青睐，它的特点也更接近ASIC，ASIC比FPGA最大的优势是低成本，但是FPGA的价格现在也是越来越低，例如：Actel的Nano系列更是打破了FPGA的价格屏障，提供超过50种低于1美金的FPGA，在一定程度上已经可以与ASIC相抗衡。

根据当前发展的趋势，未来的FPGA势必将会取代一部分ASIC的市场，虽然根据摩尔定律(Moore’s Law)：每18至24个月能在相同的单位面积内多挤入一倍的晶体管数，这意味着电路成本每18至24个月就可以减半，但这只是指裸晶(Die)的成本，并不表示整个芯片的成本减半，这是由于晶圆制造更前端的掩膜(Mask)成本、晶圆制造更后端的封装(也称为：构装、包装)成本、人力成本等都不会随摩尔定律而变化，反而芯片的成本有上升的趋势，所以过去许多中、小用量的芯片无法用先进的工艺来生产，对此不是持续使用旧工艺来生产，就是必须改用FPGA芯片来生产……

因此，未来的趋势告诉我们，FPGA将成为21世纪最重要的高科技产业之一，特别是国内的FPGA市场，更是一个“未开垦的处女地”，抓住现在的机遇意味着为我们将来的产品提供更多的竞争力。

2．提供更多就业机会

虽然FPGA市场的广阔，但是FPGA的技术人员是极度地缺乏，其原因是还未得到高