前言

在正点原子的技术文档里面看到一个小故事，很有意思。刚开始接触FPGA的时候，这个故事让我眼前一亮，对FPGA有一种莫名的神秘感与期待感。

话说一个资深工程师出国的时候带了一块 FPGA 开发板。
海关问道：“这是什么东西？”
工程师说：“FPGA 开发板”。
海关又问：“FPGA 是什么？”。
工程师回答说：“你想让它是什么，它就是什么（It can be whatever you want）”

一、FPGA简介

FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，由Xilinx创造于1984年，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物，FPGA本质上是一种芯片，它并不是一种软件，也不是一个工具，和CPU、GPU相比，它们在本质上并没有什么区别，都是芯片的一种。
       FPGA有三个重要特点：现场、可编程、门阵列。
       首先FPGA有大量的逻辑门阵列组成，逻辑门是数字电路最基本组成单元，它基于布尔代数，对二进制数0和1进行操作，并完成不同的逻辑运算，比如与或非等等。举个例子，任何数和0相与都为0，和1相或都为1，非就是把0变1，把1变0，而FPGA可以使用逻辑门组成各种不同的逻辑功能。有些可能不太明白这个逻辑门阵列有什么好处，换句话说，拥有可配置的逻辑块，就意味着不再受到硬件的制约。您不会再遇到定时器或 UART 不够用的情况，只要您拥有逻辑单元便可创建更多定时器或 UART。
       其次，FPGA的另外一个特点就是可编程性，这里的可编程与我们平时所说的软件编程有着本质区别，对于CPU或者单片机的编程，一般是通过改变寄存器的配置来实现，但不会改变芯片的逻辑功能。打个比方，你不能通过编程把一个网络交换芯片变成一个视频处理芯片，相比之下，FPGA的编程为硬件可编程，它让FPGA可以对逻辑门阵列可以重复编程，从而使FPGA可以在逻辑层面上任意改变自己实现的硬件结构，这使得FPGA有很高的灵活性。
       现场可编程性：主要指FPGA可以在现场完成编程，而不需要把芯片拆下来，然后送回厂家来完成编程操作（相当于一块橡皮擦，可以自己捏成任意形状）

二、FPGA的用途

FGPA能做什么呢？
       可以毫不夸张地讲，FGPA能完成任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单的74电路，都可以用FGPA来实现。你可以把FGPA比喻成一堆乐高，通过拼装，可以做成任何一种模型——工程师可以通过传统的原理图输入或硬件描述语言(如Verilog HDL、VHDL)自由地设计一个数字系统。目前的FPGA主要还是在通信和网络领域用的比较广泛，用来对大量的网络数据包进行处理，比如大规模应用于华为5G基站。一部分应用于医疗器械，金融领域，军用设备，航空航天。
       FPGA的应用大可分为以下几种：
       数据采集领域：自然界的大部分信号是模拟信号，在高速采集时，信息无法直接传入MCU或者DSP。此时，需要FPGA进行一定的转换和速率匹配。这里提一点，DSP是CPU的一种，做数字信号的处理，擅长做乘法和加法运算。
       逻辑接口领域：CPU在于外界通信时，需要各种专门的接口，而接口电路所引入的接口电路很庞大。加入FPGA，就可以CPU与FPGA做单独通信，由FPGA实现其他各种接口的扩展。
       电平接口领域：不同的器件支持的电平不尽相同，如果需要连接各种接口时，就需要各种接口标准或者转换电路。对于FPGA来说，FPGA分为不同的BANK，可以直接支持不同的电平标准。
       数字信号处理领域：通信、图像等领域近些年对计算量提出了更高的要求，FPGA支持并行计算，可以大大缩短计算的时间。
       IC设计领域：IC在设计时，首先会使用FPGA设计出基础的电路模型进行各种理论验证，等验证通过后，才会进行IC制造等等。

三、FPGA比较

1、FPGA与单片机比较

FPGA和单片机，首先它们在硬件架构上不同，单片机无论是MCU还是MPU都是基于控制器和算术逻辑单元进行工作的，而FPGA是基于查找表的硬件电路进行工作的，这一点正同于单片机用的是软件设计语言而FPGA用的是硬件描述语言一样；其次，FPGA在芯片容量、组合逻辑、工作速度、设计灵活上远优于单片机；最后，在代码的设计思想上也不一样，单片机使用的是串行的设计思想，而FPGA则使用的是并行的设计思想。

2、FPGA与CPU比较

CPU与FPGA的根本区别在于软件与硬件的差异。CPU为冯诺依曼结构，串行地执行一系列指令；而FPGA可以实现并行操作，就象在一个芯片中嵌入多个CPU，其性能会是单个CPU的十倍、百倍。一般来说，CPU可以实现的功能，都可以用硬件设计的方法由FPGA来实现。当然，极其复杂的算法用硬件实现会比较困难，资源消耗也很大，如果没有高性能要求，那用硬件实现就有点得不偿失了。对于一个复杂系统而言，进行合理的软、硬件划分，由CPU（或DSP）和硬件电路（如FPGA）合作完成系统功能是非常必要的，也是高效的。（http://blog.csdn.net/chzms/article/details/2548272）

四、为什么选择FPGA

打破顺序执行模式，大规模并行运算，低延时，验证想法简便，缩短产品上市时间。（由于时间问题，这个小节后面有时间总结好再更新到文章）

总结

FPGA应用于很多关键领域，但是目前我国FPGA市场的份额的90%以上都被美国公司所占据，特别是中高端的FPGA芯片，国内还没办法做到生产代替，光刻机技术、EDA软件仍然很落后，很多人并没有意识到这点，我们的芯片半导体产业仍然有很长的路要走。

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