1 FPGA基本概念

1.1 诞生

FPGA（现场可编程门阵列）的起源可以追溯到20世纪80年代。

1. 技术背景
   • 在FPGA出现之前，数字电路设计主要依赖于固定功能的集成电路，如标准逻辑器件（74系列等）和定制的专用集成电路（ASIC）。标准逻辑器件灵活性差，功能有限；而ASIC虽然性能高、功耗低，但设计周期长、成本高，一旦制造完成就很难修改。
   • 可编程逻辑器件（PLD）的出现是一个过渡阶段。PLD包括可编程阵列逻辑（PAL）和通用阵列逻辑（GAL）等，它们可以通过编程来实现不同的逻辑功能，但规模和灵活性仍然有限。
2. FPGA的诞生
   • 1984年，Xilinx公司的创始人之一Ross Freeman发明了世界上第一款FPGA芯片。这款芯片的设计理念是提供一种高度灵活的可编程芯片，可以让用户在现场（即芯片安装在电路板后）对其进行编程，以实现各种数字逻辑功能。
   • FPGA最初主要应用于一些对灵活性要求较高的领域，如科研实验设备、通信设备中的原型开发等。它允许工程师快速地修改和验证数字电路设计，大大缩短了产品的开发周期。
3. 发展驱动力
   • 半导体工艺进步：随着集成电路制造工艺的不断进步，FPGA芯片的集成度越来越高。从最初的几千个逻辑单元发展到现在数百万个逻辑单元，能够实现非常复杂的数字系统，如高速通信处理器、图像信号处理器等。
   • 软件工具的完善：配套的FPGA编程软件也在不断发展。早期的编程方式比较复杂，随着高级综合（HLS）工具等的出现，工程师可以使用更高级的编程语言（如C、C++）来描述数字电路的功能，降低了编程难度，提高了设计效率。
   • 市场需求推动：在通信、数据处理、工业控制等众多领域，对快速开发、灵活定制的数字电路解决方案的需求不断增长。FPGA正好满足了这种需求，它可以在不重新设计硬件的情况下，通过软件编程适应不同的应用场景，如在5G通信基站中快速调整信号处理算法，或者在工业自动化设备中灵活更新控制逻辑。