纵观数字集成电路的发展历史，经历了从电子管、晶体管、小规模集成电路到大规模以及超大规模集成电路等不同阶段。发展到现在，主要有 3 类电子器件：存储器、处理器和逻辑器件，如图 1 所示。

图 1　存储器、处理器与逻辑器件

存储器保存随机信息（电子数据表或数据库的内容）；处理器执行软件指令以完成各种任务（运行数据处理程序或视频游戏）；逻辑器件则提供特殊功能（器件之间的通信和系统必须执行的其他功能）。

一、逻辑器件的分类与 FPGA 的出现

逻辑器件分成两类：一类是固定的或定制的，另一类是可编程的或可变的。固定的或定制的逻辑器件通常称为专用芯片（ASIC），它是为满足特定用途而设计的芯片，例如 MP3 解码芯片。其优点是通过固化的逻辑功能和大规模的工业化生产降低芯片成本，同时提高产品的可靠性；随着集成度提高，ASIC 的物理尺寸也在不断缩小。但 ASIC 的设计周期很长、投资大、风险高，一旦设计结束功能即固化，后续升级改版困难较大。由于电子产品市场正在逐渐细分，为满足快速产品开发的需要，现场可编程逻辑器件（FPGA）应运而生。

自 1984 年 Xilinx 公司推出第一片 FPGA 至今，FPGA 经历了数十年的快速发展，逻辑规模已从最初的 1000 个可用门发展到 1000 万个可用门量级。FPGA 之所以具有巨大的市场吸引力，根本原因在于它不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且开发周期短、投入少，芯片价格不断下降，因而正在越来越多地取代传统 ASIC，特别是在小批量、个性化产品市场方面。

二、FPGA 技术的发展动向

随着芯片设计工艺水平的不断提高，FPGA 技术呈现出以下 4 个主要发展动向。

1. 基于 FPGA 的嵌入式系统（SoPC）技术逐步成熟

System on Chip（SoC）技术在芯片设计领域被越来越广泛地采用，SoPC 技术则是 SoC 技术在可编程器件领域的应用，其核心是在 FPGA 芯片内部构建处理器。Xilinx 公司主要提供基于 PowerPC 的硬核解决方案，Altera 公司提供的是基于 Nios II 的软核解决方案。Altera 为 Nios II 软核处理器提供了完整的软硬件解决方案，可以让客户在较短时间内完成 SoPC 系统的构建和调试工作。

2. FPGA 芯片向高性能、高密度、低压和低功耗方向发展

随着芯片生产工艺不断提高，FPGA 芯片的性能和密度都在不断提高。早期的 FPGA 主要用于完成接口逻辑设计，比如 AD/DA 和 DSP 的粘合逻辑；现在的 FPGA 正在成为电路的核心部件，完成关键功能。在高性能计算和高吞吐量 I/O 应用方面，FPGA 已经取代专用的 DSP 芯片成为最佳实现方案，因此高性能和高密度也成为衡量 FPGA 芯片厂家设计能力的重要指标。

随着性能和密度提高，功耗也逐渐成为 FPGA 应用的瓶颈：虽然 FPGA 比 DSP 等处理器的功耗低，但要明显高于专用芯片（ASIC）。FPGA 厂家正在采用各种新工艺和新技术降低功耗，并已取得明显效果，例如 Altera 公司的 Stratix III 系列 FPGA 的功耗比上一代产品 Stratix II 系列降低了 50% 以上。

3. 基于 IP 库的设计方法

未来 FPGA 芯片密度不断提高，传统的基于 HDL 的代码设计方法很难满足超大规模 FPGA 的设计需要。随着专业的 IP 库设计公司不断增多，商业化的 IP 库种类会越来越全面，支持的 FPGA 器件也会越来越广泛。作为 FPGA 设计者，主要工作是找到适合项目需要的 IP 库资源，再将这些 IP 整合起来完成顶层模块设计；由于商业 IP 库都经过验证，整个项目的仿真和验证工作主要就是验证 IP 库接口逻辑设计的正确性。目前由于国内知识产权保护的相关法律法规还不尽完善，基于 IP 库的设计方法还没有得到广泛应用，但随着 FPGA 密度不断提高和 IP 库价格逐渐趋于合理，这种方法将会成为主流的 FPGA 设计技术。

4. FPGA 的动态可重构技术

FPGA 动态重构技术是指对特定结构的 FPGA 芯片，在一定的控制逻辑驱动下，对芯片的全部或部分逻辑资源实现高速的功能变换，从而实现硬件的时分复用、节省逻辑资源。随着密度不断提高，FPGA 能实现的功能越来越复杂，全部逻辑配置一次所需的时间也变长了，降低了系统的实时性；局部逻辑配置功能可以实现“按需动态重构”，大大提高配置效率。动态可重构的 FPGA 可以在系统运行中对电路功能进行动态配置，主要适用于以下两类系统设计：

（1）新型通信系统。FPGA 的动态重构特性可以适应不同体制和不同标准的通信要求，满足软件无线电技术以及第三代（3G）和第四代（4G）移动通信系统的需要。

（2）可重构计算机。FPGA 具有并行处理能力和动态配置能力，可自动改变硬件来适应正在运行的程序，由此产生了基于这种软硬件环境的全新概念的计算机。

三、FPGA 的工作原理与基本特点

（1）采用 FPGA 设计 ASIC 电路（专用集成电路），用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片；
（2）FPGA 可以作为其他全定制或半定制 ASIC 电路的中试样片；
（3）FPGA 内部有丰富的触发器和 I/O 引脚；
（4）FPGA 是 ASIC 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一；
（5）FPGA 采用高速 CMOS 工艺，功耗低，可以与 CMOS、TTL 电平兼容。

可以说，FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

FPGA 由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态，因此工作时需要对片内的 RAM 进行编程，用户可以根据不同的配置模式采用不同的编程方式。加电时，FPGA 芯片将配置存储器中的数据读入片内编程 RAM，配置完成后进入工作状态；掉电后 FPGA 恢复成“白片”，内部逻辑关系消失，因此 FPGA 能够反复使用。FPGA 的编程无须专用的编程器，只需用通用的 EPROM、PROM 编程器即可；需要修改 FPGA 功能时，只需换一片配置存储器。同一片 FPGA 配以不同的编程数据即可产生不同的电路功能，因此 FPGA 的使用非常灵活。

四、FPGA 的应用领域

1. 电路设计中的连接逻辑与控制逻辑

连接逻辑和控制逻辑是 FPGA 早期发挥作用较大的领域，也是 FPGA 应用的基石。在电路设计中应用 FPGA 的难度较大，要求开发者同时具备硬件（电路）知识和软件应用能力（开发工具）。随着通用和专用 IP 设计逐渐成为一个专门方向，基于成熟 IP 完成系统集成已成为电路设计的主流做法。

2. 产品设计

产品设计是把相对成熟的技术应用到通信、视频、信息处理等特定领域，开发出满足行业需要并能被行业客户接受的产品，其核心是 FPGA 技术与专业技术的结合，此外还涉及与专业客户的界面问题。产品设计包括专业工具类产品及民用产品，前者重点在性能，后者对价格敏感，共同点是以实现产品功能为主要目的。在这一领域，FPGA 具备接口、控制、功能 IP 和内嵌 CPU 等特点，有条件实现构造简单、固化程度高、功能全面的系统，因而产品设计是 FPGA 技术应用最广的市场。

3. 系统级应用

系统级应用是 FPGA 与传统计算机技术结合，实现一种“FPGA 版”的计算机系统：例如用 Xilinx Virtex-4、Virtex-5 系列 FPGA 内嵌 PowerPC CPU，再配合各种外围功能实现一个基本环境，在该平台上运行 Linux 等系统，从而支持各种标准外设和功能接口（如图像接口）。这对于快速构建大型 FPGA 系统很有帮助。系统级应用开发需要具备系统的扩充开发能力，仅停留在编程层面难以发挥 FPGA 的优势。

4. 高性能计算方向的探索

2010 年，美英两国科学家联合演示了一款基于 FPGA 的超高速运算芯片：研究人员在 FPGA 芯片内创建逾 1000 个微电路，使其相当于集成了 1000 个内核的处理器，每个内核都可以按自己的指令工作，并为每个内核分配一定量的专用存储空间。测试中该芯片每秒能处理 5 GB 数据，处理速度约为当时台式机的 20 倍，而能耗远低于传统方案。研究者指出，FPGA 未能在标准电脑上普及的主要原因是编程难度较大；但随着英特尔、ARM 等厂商开始开发集成传统 CPU 与 FPGA 的芯片，此类处理器有望得到更广泛的应用。