FPGA的组成架构、类型及应用讲解
FPGA代表现场可编程门阵列，它是一种半导体逻辑芯片，可编程成几乎任何类型的系统或数字电路，类似于PLD 。PLD仅限于数百个门，但FPGA支持数千个门 。FPGA架构的配置通常使用语言来指定，即HDL（硬件描述语言），其类似于用于ASIC（专用集成电路）的语言 。
与固定功能ASIC技术（如标准单元）相比，FPGA可提供许多优势 。通常，ASIC需要数月才能制造出来，并且它们的成本将达到数千美元才能获得该设备 。但是，FPGA的制造时间不到一秒钟，成本从几美元到一千美元不等 。FPGA的灵活性在很大程度上降低了成本，功耗和延迟 。与标准单元ASIC相比，FPGA需要20到35倍的面积，速度性能比ASIC慢3到4倍 。本文介绍了FPGA的基础知识和FPGA架构模块，包括I / O焊盘，逻辑块和开关矩阵 。FPGA是VLSI的一些新兴趋势领域 。
FPGA架构
通用FPGA架构由三种类型的模块组成 。它们是I / O块或焊盘，开关矩阵/互连线和可配置逻辑块（CLB） 。基本FPGA架构具有二维逻辑块阵列，其具有用于用户安排逻辑块之间的互连的装置 。下面讨论FPGA架构模块的功能：
CLB（可配置逻辑块）包括数字逻辑，输入和输出 。它实现了用户逻辑 。
互连提供逻辑块之间的方向以实现用户逻辑 。
根据逻辑，开关矩阵提供互连之间的切换 。
用于外部世界的I / O垫与不同的应用程序通信 。
逻辑块包含 MUX（多路复用器），D触发器和LUT 。LUT实现了组合逻辑功能； MUX用于选择逻辑，D触发器存储LUT的输出 。
文章插图
FPGA的基本构建模块是基于查找表的函数发生器 。LUT的输入数量从3，4，6变化，甚至在实验后变为8 。现在，我们有自适应LUT，每个LUT提供两个输出，并实现两个函数发生器 。
Xilinx Virtex-5是最受欢迎的FPGA，它包含一个与MUX连接的查找表（LUT）一个如上所述的触发器 。目前的FPGA由大约数百或数千个可配置逻辑块组成 。对于配置FPGA，Modelsim和Xilinx ISE软件用于生成比特流文件和用于开发 。
基于应用的FPGA类型
现场可编程门阵列基于低端FPGA，中档FPGA和高端FPGA等应用分为三类 。
【FPGA的组成架构、类型及应用讲解】 低端FPGA
这些类型的FPGA设计用于低功耗，低逻辑密度和每芯片低复杂度 。低端FPGA的例子是Altera的Cyclone系列，Xilinx的Spartan系列，Microsemi的融合系列和莱迪思半导体的Mach XO / ICE40 。
中端FPGA
这些类型的FPGA是低端和高端FPGA之间的最佳解决方案，它们是在性能和成本之间取得平衡而开发的 。中端FPGA的示例是来自Altera的Arria，来自Xlinix的Artix-7 / Kintex-7系列，来自Microsemi的IGL002和来自莱迪思半导体的ECP3和来自莱迪思半导体的ECP5系列 。
高端FPGA
这些类型的FPGA是为逻辑密度和高性能而开发的 。高端FPGA的例子有Altera的Stratix系列，Xilinx的Virtex系列，Achronix的Speedster 22i系列和Microsemi的ProASIC3系列 。
FPGA的应用：
FPGA在过去十年中获得了快速增长，因为它们适用于广泛的应用 。FPGA的具体应用包括数字信号处理，生物信息学，设备控制器，软件定义无线电，随机逻辑，ASIC原型设计，医学成像，计算机硬件仿真，集成多个SPLD，语音识别，加密，过滤和通信编码等等 。
通常，FPGA保留用于生产量较小的特定垂直应用 。对于这些小批量应用，顶级公司支付每单位硬件成本 。如今，新的性能动态和成本扩展了可行的应用范围 。
一些更常见的FPGA应用包括：航空航天和国防，医疗电子，ASIC原型，音频，汽车，广播，消费电子，分布式货币系统，数据中心，高性能计算，工业，医疗，科学仪器，安全系统，视频和图像处理，有线通信，无线通信 。
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