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FPGA 研发之道

FPGA 是个什么玩意？

FPGA 是个什么玩意？

首先来说：

FPGA 是一种器件。其英文名 feild programable gate arry 。很长，但不通俗。通俗

来说，是一种功能强大似乎无所不能的器件。通常用于通信、网络、图像处理、工业控制

等不同领域的器件。就像 ARM、DSP 等嵌入式器件一样，成为无数码农码工们情感倾泻

而出的代码真正获得生命的地方。只不过，一样的编程，却是不一样的思想。嵌入式软件

人员看到的是 C。而 FPGA 工程师看到是硬件描述语言，verilog 或 VHDL。软件看到是函

数、对象、重构。FPGA 工程师则是模块、流水、复用。从现象上看，都是代码到下载程

序再到硬件上运行。不能只看现象而忽略本质。FPGA 开发本质上是设计一颗 IC，“**的身

子，丫鬟的命”不是所有 verilog/VHDL 代码，都能获得青睐去流片成为真正的芯片，而更

多的则成为运行在 FPGA 器件上，成为完成相同功能的替代品。其实现的功能却一点也不

逊色于百万身价流片的近亲。从而成为独树一帜的行业。

FPGA 开发的流程，是通过 verilog/VHDL 等硬件描述语言通过 EDA 工具编译、综

合、布局布线成为下载文件，最终加载到 FPGA 器件中去，完成所实现的功能。那硬件描

述语言描述的是什么？这里描述的就是组合逻辑电路和时序逻辑电路。组合逻辑电路就是

大家所熟知的与门、或门、非门。时序逻辑电路则是触发器。数字芯片上绝大部分逻辑都

是这两种逻辑实现的。也就是基本上每个电子行业的人所学过的数字电路。顺便说一下，

感谢香农大师，在其硕士毕业论文<继电器与开关电路的符号分析>就奠定了数字电路的的

根基。只不过在 FPGA 中，与或非的操作变成了查找表的操作。于是所有的数字电路变成

了查找表和寄存器，这就构成了 FPGA 的基础。查找表负责逻辑实现，寄存器存储电路状

态。二者配合，双剑合璧，天衣无缝。这是最初的 FPGA 的雏形。现代 FPGA 内部出了查

找表和寄存器之外，还有 RAM 块，用于存储大量的数据块，这是因为 RAM 块较寄存器来

存储大量数据更能节省芯片实现的面积。FPGA 内部的时序电路则需要时钟的输入，通常

FPGA 内部需要时钟种类较多，因此需要在片内产生所需的的相关的时钟，如不同频率，

不同相位的时钟，因此时钟管理单元 DCM/PLL 也是必不可少的内部部件。除此之外，

FPGA 内部还包括接口 I/O，I/O 分为普通 I/O 和高速 I/O，高速 I/O 支持例如高速的

SERDES，用于实现 XAUI，PCIE 等高速接口，这些接口动辄几 Gbps 到 10Gbps 以上。

此外种类多种多样的硬核 IP 也是各 FPGA 厂商差异化竞争利器，例如 POWERPC、ARM

等硬核 IP。从而构成 CPU+FPGA 于一体的集可编程性和可重构的处理平台。因此，相对

来所，FPGA 虽然发展有二三十年的历史，其基本架构一直不变不大。<<<<<<

回到问题开始的地方，FPGA 的英文翻译过来是现场可编程门阵列。这是相对 ASIC

来说的，ASIC 的硬件也可看做是门阵列，但是其是非可编程的器件。流片完成其功能就固

化了，而 FPGA 的可编程性就在其能够重新下载配置文件，来改变其内在的功能，这就是

其可编程性的由来。从前端开发流程来说，FPGA 和 ASIC 开发并无二至。由于 ASIC 开发

一次性投入成本较高，FPGA 无疑是一种经济的替代方案，用于实现的高速的数据并行处

理。如业务能够支撑大规模应用并且协议固化，则能够分摊成本的 ASIC 实现就有成本的

优势。

 FPGA 作为一种器件，技术上主要垄断在少数大公司手中，那就是双巨头 ALTERA 和

XILINX。除此之外还有一些份额相对较小的公司，例如 ACTEL 和 LATTICE。不止是

   经典的处理器+FPGA 的配置中有多种的架构形式，即多个处理器单元,可能是

ARM，MIPS,或者 DSP，FPGA 也可能是多片的配置，具体架构形式于具体处理的业务相

关和目标设备的定位也相关。因为 FPGA 作为简单业务流大数据量的处理形态仍然是 CPU

无可比拟的优势，FPGA 内部可以开发大量业务数据并行，从而实现高速的数据处理。

  在实现高速处理方面，CPU 的另一个发展趋势是多核，多核处理器也能处理大数据量

的业务的并行，例如业界 TERILA 已推出 64 核的多核处理器，采用 MIPS 处理器，通过二

维 MASH 网络连接在一起，形成 NOC 的结构。在性能上已经和现有的高速 FPGA 的处理

能力上不相上下。但是多核处理器的不得不说的问题就是，同一业务流分配到多核处理上

后，如需交互，例如访问同一资源，就会造成读写的缓存一致的问题，解决的这一问题的

天然思路是加锁，即在变量访问上加自旋锁，但是带来的问题就是处理性能的急剧下降。

而 FPGA 无论并行处理和同一变量的访问，都可以变成工程师的设计水平的问题，没有原

理性的挑战。

   没有一种器件可以满足全人类的众多需求，因此不用担心 FPGA 没有用武之地。必定

是一系列产品的组合。下面主要介绍一下 FPGA 可以作为现今热门场景的几种应用。

（1）网络存储产品，特别是现在的 NAS，或者 SAN 设备上，其存储的时间、接口、安全

性等都要求较高，而 FPGA 无论处理性能还是扩展接口的能力都使其在这一领域大有作为。

现在高端 FPGA 单片就可以扩展 32 个或者更多 4G 或者 8G 的 FC 接口。并且其协议处理

相对的固定，也使 FPGA 在这一领域有大量的可能应用。

（2）高速网络设备，现在高速网络设备 10G、40/100G 以太网设备领域，同样 FPGA 也

是关键的处理部件。特别是 IPv6 的商用化及大数据对于基础设施的高要求，都使这一领域

的处理应用会逐渐广泛，这一领域通常是高速网络处理器（NP）+FPGA 的典型架构。

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九章子

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