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本帖最后由 chdaj58 于 2023-11-10 09:22 编辑
1. 什么是FPGA
先看看百度百科的解释：FPGA（Field Programmable Gate Array）是在PAL （可编程阵列逻辑）、GAL（通用阵列逻辑）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。
看完了解释大家可能一头雾水，这东西到底能干什么？大道至简，用一句话解释一下：FPGA这个东西可以用来设计所有的数字电路。比如控制个按键，点个流水灯，实现UART/SPI/IIC等低速接口，实现SRIO/DDR/PCIE/Ethernet等高速接口，还可以实现各种算法，可以设计单片机和CPU，所以拥有了FPGA的开发设计能力，你就能玩转所有的数字电路！如果你是一个创客，就可以使用FPGA来DLY所有你想实现的
2. FPGA为什么可以设计数字电路
很多人玩了那么多年的FPGA，不一定能回答这个问题。在大学学习数字电路的时候，我们知道所有的数字电路都可以用真值表来表示。真值表就是一张表述所有输入的排列组合对应输出结果的表。 比如一位全加器的真值表如下图，其中Ai为被加数，Bi为加数，相邻低位来的进位数为Ci-1，输出本位和为Si。向相邻高位进位数为Ci。通过真值表化简后可以得到最终的逻辑电路的表达：Si=Ai⊕Bi⊕Ci-1。 下面再来看看FPGA的基本组成单元LUT（Look Up Table）,称之为查找表，一个五输入的查找表如下所示： FPGA是把使用到的LUT先编译出一张真值表，真值表中包括所有输入的排列组合及其对应的输出，比如下面这个LUT的真值表（截图不全），当输入是00000的时候，输出就是0，输入10011的时候，输出就是1。 所以LUT其实就是真值表的物理实现，FPGA通过LUT就可以实现所有的数字电路。问题又来了，LUT为什么能实现真值表，它的本质是什么？LUT的本质就是RAM（随机存取存储器），五输入的LUT其实就是32（2的5次方）深度的RAM，输入对应的是RAM的地址，输出对应的是RAM内事先存储好的数值。
由于RAM在掉电的情况下存储的内容会丢失，所以通常FPGA都需要外配一个Flash，每次上电需要从Flash里面读取配置信息来配置FPGA内部的模块，主要是LUT，配置完毕后才可以正常工作。
3. FPGA是如何工作的
FPGA不能用来设计模拟电路，但是FPGA内部有很多模拟的模块，比如锁相环PLL，模数/数模转换器等等。其中最重要的就是PLL，因为PLL可以产生FPGA运行需要的时钟。当FPGA完成上电配置后，PLL的时钟稳定后，FPGA就开始正常工作了。PLL提供的时钟是FPGA运行的节拍器，我们常说的电脑CPU主频是2.5GHz，3.2GHz，说的就是CPU内部时钟的频率。FPGA也是一样，PLL的时钟频率越快，处理速度就越快，但是也更容易出时序问题。
还有就是FPGA上电从什么状态开始运行，也就是说FPGA上电必须有一个明确的初始的状态，这就需要全局的复位网络，FPGA上电后，先进行全局的复位，复位到初始状态，然后再开始运行各项功能。如果运行过程中出了问题，也可以通过全局的复位网络回到初始状态，重新进行运行。
比如公交车，10分钟发一班车，这个10分钟就是时钟的频率。每天早晨所有公交车都从总站出发，这就是全局复位的初始状态。每辆车如果中途出现故障需要返厂维修也相当与全局复位。
FPGA就是在时钟的节拍下完成各项任务。比如两个数相加的任务，一个时钟周期就可以完成，下个时钟就可以得到结果。再比如两个数相乘，一个时钟周期无法完成，那就分解成多个小的任务（比如10个小任务），一个时钟周期完成一个小任务，那10个时钟周期后就可以完成乘法的运算。
4. 总结
如果想深入的理解FPGA，那就需要多参考一些资料，多看一些文档。刚开始入门FPGA，先了解上面的内容即可，后续马上开始FPGA的入门之旅。
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发表于 2023-11-10 09:20:18
