初学者如何学习FPGA?

随着半导体和嵌入式系统应用技术的高速发展，FPGA已经被广泛地应用于各行各业，无论是家用电器、智能玩具、数码产品，还是通信行业、工业自动化、汽车电子、医疗器械等领域无处不在。从1985年第一颗FPGA诞生至今，FPGA已经过去了20多个年头，从当初集成几百个门电路到现在的几百万门、几千万门……，从原来的上千元的天价到现在几元的超低价，发生了翻天覆地的变化，所以当前正是学习FPGA的最好时机。无论是社会的需求也好，还是技术的成熟度也好，已经达到了前所未有的高度，初学者可以花更少的成本，并以最快的速度掌握一种处于前沿的新技术，无论是对就业还是对未来的发展具有极其重要的意义和价值。

本书从初学者的立场出发，为广大初学者提供了一个FPGS入门学习平台，以深入浅出的方式介绍FPGA的基本原理、Verilog语言和应用设计。但作为一个FPGA的初学者必须先了解以下几个问题：何为FPGA？为什么要学习FPGA？如何学习FPGA？

FPGA是Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD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。

FPGA是Ross Freema于1985年发明的，当时第一个FPGA采用2μm工艺，包含64个逻辑模块和85000个晶体管，门数量不超过1000个，当时他所创造的 FPGA被认为是一项不切实际的技术，他的同事Bill Carter曾说：“这种理念需要很多晶体管，但那时晶体管是非常珍贵的东西。”所以人们认为Ross的想法过于脱离现实。但是Ross预计：根据摩尔定律（每18个月晶体管密度翻一翻），晶体管肯定会越来越便宜，因此它必将成为未来不可或缺的技术。在短短的几年时间内，正如Ross所预言的，出现了数十亿美元的现场可编程门阵列（FPGA）市场。但可惜的是，他已经无法享受这一派欣欣向荣的景象，Ross Freeman在1989年已经与世长辞了，但是它的发明却持续不断地促进电子行业的进步与发展。

我们知道构成数字逻辑系统最基本的单元是与门、或门、非门等，而门电路是由用二极管、三极管和电阻等元件构成的，然后与门、或门、非门又构成了各种触发器实现状态记忆。FPGA同样也属于数字逻辑电路的一种，也是由最基本的元件构成的。一片FPGA可以在内部集成上亿个门电路，打破了以往使用数量繁多分立器件实现电子装置的历史，不仅电路面积、成本大大减小，而且可靠性得到了大幅度的提升。

一般来说，FPGA内部是由最小的物理逻辑单位LE、布线网络、输入输出模块与片内外设组成的，而最小物理逻辑单元是指用户无法修改的、固定的最小单元，设计者只能将这些单元通过互联线将其连接起来，然后实现特定的功能。一个LE是由触发器、LUT与控制逻辑组成的，从而同样可以实现组合逻辑和时序逻辑。

随着FPGA集成度的不断增加，其内部的片内外设也越来越多，可集成SRAM、Flash、AD、RTC等外设，真正用单芯片方案完成系统设计，所以我们所理解的FPGA最底层是一些实实在在的门电路构成的，然后由门电路构成最小的物理逻辑单元，然后再通过布线层将这些最小物理逻辑单元连接成用户需要的特定功能，我们所需要控制的仅仅是布线层之间的互连开关，这也是我们编程的对象，通过这些开关来改变功能。

FGPA按工艺分主要有SRAM工艺和Flash工艺（工艺是针对它们的编程开关来说的）两类，基于SRAM工艺的FPGA最大的缺点是掉电数据会丢失无法保存，所以由FPGA构成的系统，外部还需要增加一个配置芯片用于保存编程数据，在系统每次上电时都需要从配置芯片中将配置数据流加载到FPGA 中，然后才能正常地运行，其优点是灵活性很强。而基于Flash架构的FPGA在掉电后不会丢失数据，无需配置芯片，上电即可运行，其特点非常类似 ASIC，但却比ASIC更加灵活可以重复编程。由此可见如果用基于Flash架构的FPGA来取代ASIC的话，不仅风险大大降低，而且成本也会大幅度地下降。

FPGA从诞生以来经历了从配角到主角的转变，FPGA主要用于取代复杂的逻辑电路，现在重点强调平台概念，当集成数字信号处理器、嵌入式处理器、高速串行和其它高端技术后，从而被应用到更多的领域，正因为其飞速的发展，让更多学FPGA的人看到了希望，其广阔的前景正是我们选择的原因之一。

（1）广阔的发展前景