Veloris.
返回索引
FPGA 2025-10-18

FPGA发展历程

7 分钟
2.3k words

FPGA发展历程

1 可编程逻辑器件的起源与发展

FPGA（现场可编程门阵列）是可编程逻辑器件（PLD）家族的重要成员。在FPGA出现之前，PLD经历了多个发展阶段，主要包括PLA、PAL、GAL和CPLD等器件。

1.1 可编程逻辑阵列（PLA）

PLA（Programmable Logic Array）于20世纪70年代后期问世，是最早的可编程逻辑器件之一。其原理架构如下图所示：

  • 结构特点：由可编程的“与”阵列和可编程的“或”阵列组成。可见PLA实现的是一个SOP表达式的功能，其中“打叉”的部分表示待编程位置。
  • 优点：灵活性高，能够实现复杂的组合逻辑电路。
  • 缺点：由于结构复杂，编程复杂度较高，运行速度相对较慢，功耗较高，且成本较高，主要用于小规模逻辑电路的设计。

1.2 可编程阵列逻辑（PAL）

PAL（Programmable Array Logic）在PLA的基础上进行了改进，旨在提高运行速度和降低成本。其原理架构如下图所示：

  • 结构特点：采用可编程的“与”阵列和固定的“或”阵列。这种结构简化了编程过程，提高了运行速度。
  • 优点：简化了结构，提高了速度，降低了功耗和成本。
  • 缺点：由于采用熔丝工艺，PAL通常只能编程一次，且输出结构固定，缺乏灵活性，适用于中小规模的可编程电路设计。

1.3 通用阵列逻辑（GAL）

GAL（Generic Array Logic）在PAL的基础上进一步发展，主要改进在于引入了可重复编程的特性。以一个八输入八输出的GAL器件为例，其原理架构如下图所示：

  • 结构特点：采用电可擦除的CMOS工艺（E²CMOS），允许器件多次编程。此外，增加了可编程的输出逻辑宏单元（OLMC），使输出可以设置为不同的工作状态（如组合逻辑输出、寄存器输出等），增强了器件的通用性。
  • 优点：可重复编程，增强了器件的可重配置性和灵活性。
  • 应用：在中小规模可编程电路设计中得到广泛应用。

OLMC结构如下图所示：

通过对OLMC配置，可以得到不同类型的输出电路结构。 OLMC的工作模式参考下表：

工作模式输出极性条件
专用输入\1和11脚为数据输入，三态门禁止
专用组合输出低电平有效 高电平有效1和11脚为数据输入，三态门选通
反馈组合输出低电平有效 高电平有效1和11脚为数据输入，三态门选通信号是第一乘积项，反馈信号取自IO端
时序电路组合输出低电平有效 高电平有效1脚接GCLK，11脚接OE取反，至少又另外一个OLMC为寄存器输出模式
寄存器输出低电平有效 高电平有效1脚接GCLK，11脚接OE取反

1.4 复杂可编程逻辑器件（CPLD）

随着对更高集成度和复杂度的需求，CPLD（Complex Programmable Logic Device）应运而生。其原理架构如下图所示：

  • 结构特点：将多个小规模的MC（如PAL、GAL）作为基本逻辑块（通常称为宏单元），通过可编程互连矩阵连接，形成中大规模的可编程逻辑器件。每个宏单元包含逻辑门、触发器和可编程互连。外围的IOB是专门的输入输出接口模块，功能类似于GAL的OLMC。
  • 优点：逻辑部分和开关部分的延时较固定且可预测，设计相对容易，非易失性，上电即可工作。
  • 应用：适用于实现中等规模的控制逻辑、接口电路和简单的组合逻辑。

2 现场可编程门阵列（FPGA）的诞生与发展

FPGA（Field-Programmable Gate Array）于1985年由赛灵思（Xilinx）公司推出第一款产品——XC2064，标志着可编程逻辑器件进入新的发展阶段。其原理架构如下图所示：

2.1 FPGA的结构特点

  • 内部结构：与CPLD类似，最外层的仍然是功能强大的IOB模块，不过与CPLD相比，它们的内部结构大有不同。FPGA中的基本逻辑单元为CLB模块，一个CLB模块中一般包含了若干个基本的查找表、寄存器和多路选择器资源，因此，FPGA中的逻辑表达不是基于SOP表达式的，而是基于LUT的，这是FPGA与前面这些可编程器件最大的区别。一个FPGA芯片中往往有成千上万个CLB,而这些CLB是均匀散列在FPGA芯片内部的，这点与CPLD也不一样。在这些CLB组成的行与列之间，如原理架构图所示，穿插着丰富的连线资源，供CLB之间通信使用。
  • 编程技术：通常基于SRAM（静态随机存取存储器）技术，因此配置信息在每次上电时需要从外部存储器（如闪存）加载，实现现场更新和重新配置。
  • 灵活性与并行性：提供高度的灵活性和可配置性，特别擅长实现复杂的时序逻辑、并行处理和大规模算法。

为了能够在CLB之间建立灵活可配置的连接关系，光有硬件连线不行，还需要用到两个非常重要的资源一连线盒(CB)和开关盒(SB)。其中CB的作用是将CLB的输入输出接通到连线资源中，而SB的作用是对水平和竖直连线资源进行切换。关于开关盒，有三种基本结构，如下图所示：

2.2 FPGA与CPLD的区别

尽管FPGA和CPLD都属于高密度可编程逻辑器件，但它们在结构、编程方式、性能和应用场景等方面存在显著区别：

  1. 内部结构：

    • CPLD：采用“与-或”阵列结构（Product-Term based），由多个宏单元通过可编程互连矩阵连接。宏单元的逻辑延时相对固定且可预测。
    • FPGA：采用查找表（LUT）结构（Look-Up Table based），由大量的逻辑单元、输入/输出块和可编程互连资源组成。逻辑单元通常包含LUT和触发器。

  2. 编程和配置：

    • CPLD：通常基于EEPROM或Flash技术，是非易失性的，编程后配置信息永久保存，上电即可工作。
    • FPGA：通常基于SRAM技术，是易失性的，每次上电需要从外部存储器（如闪存）加载配置数据。这使得FPGA在现场更新和重新配置方面更具优势。

  3. 集成度和资源类型：

    • CPLD：集成度相对较低，逻辑资源（主要是组合逻辑）丰富，触发器资源相对较少，适用于实现控制逻辑、地址译码等中小型设计。
    • FPGA：集成度高，拥有丰富的逻辑资源（包括LUT和触发器）、内存块（Block RAM）、DSP块等，适用于实现复杂的算法和高性能计算。

  4. 速度和功耗：

    • CPLD：由于互连结构相对简单，信号延时可预测性高，适用于对时序要求严格且延时固定的设计。功耗相对较低。
    • FPGA：由于互连资源丰富，布线路径选择多，信号延时相对不确定。但整体上可以实现更高频率的操作。由于其复杂的结构和大量可编程互连，功耗通常较高，尤其是在大规模设计中，需要进行功耗管理。

  5. 应用场景：

    • CPLD：适用于简单的控制逻辑、胶合逻辑、地址译码、小规模状态机等对速度和功耗有一定要求但逻辑复杂度不高的应用。
    • FPGA：广泛应用于需要高速处理和复杂逻辑的领域，如数字信号处理、通信系统、人工智能加速、数据中心、嵌入式系统和原型验证等。

2.3 FPGA的未来发展

2.3.1 AI时代的复兴（2010年代至今）

随着人工智能和深度学习的兴起，FPGA凭借其高度的并行处理能力和可重构性，在AI加速器领域焕发新生。FPGA被广泛应用于数据中心、云计算和边缘计算等场景，提供高效的计算加速解决方案。

2.3.2 行业整合与新变局（2020年代）

近年来，FPGA行业经历了显著的整合。例如，2022年AMD收购赛灵思，进一步加强了其在FPGA领域的布局。同时，中国FPGA企业也在崛起，积极参与全球市场竞争，共同推动FPGA技术的持续创新和发展。

综上所述，FPGA自其前身PLD器件发展而来，凭借其灵活性、可编程性、高性能和可重构性，在数字电路设计和多种高科技领域中发挥着越来越重要的作用。理解其与CPLD等器件的区别，有助于根据具体需求选择最适合的解决方案。

End of file.