第一部分 基本知識(shí)

第1章 FPGA開發(fā)概述

本章導(dǎo)讀

本章從FPGA的一些基本概念入手，將ASIC、ASSP、ARM、DSP與FPGA比對(duì)，同時(shí)也論及FPGA開發(fā)語(yǔ)言及主要廠商；接著對(duì)FPGA技術(shù)在嵌入式應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)和局限性進(jìn)行討論；FPGA是一項(xiàng)綜合性很強(qiáng)的技術(shù)門類，因此我們?cè)诒菊乱矔?huì)關(guān)注它所涉及的一些基本技能；最后我們將論述FPGA的應(yīng)用領(lǐng)域和開發(fā)流程。當(dāng)然了，如果你自認(rèn)為已經(jīng)入門FPGA，對(duì)于本章可能會(huì)提及的一些基礎(chǔ)概念耳熟能詳，那么不妨跳過(guò)本章。

1.1 FPGA基礎(chǔ)入門

2015年伊始，Intel欲出資百億美金收購(gòu)Altera的新聞在半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)引發(fā)一場(chǎng)不小的轟動(dòng)。而時(shí)隔不到半年，這則新聞居然成為現(xiàn)實(shí)，并且最終的收購(gòu)價(jià)格167億美金也比傳聞要高出許多（如圖1-1所示）。在早些年里，其實(shí)Intel與Altera已經(jīng)或多或少有些合作了。Intel此舉的動(dòng)機(jī)非常明顯，不僅是希望在PC領(lǐng)域繼續(xù)拓展服務(wù)器市場(chǎng)與數(shù)據(jù)中心的應(yīng)用——Altera的可編程器件在這方面能夠提供強(qiáng)勁的性能競(jìng)爭(zhēng)力；而且也是期望借助Altera來(lái)擴(kuò)寬自身的多元化發(fā)展戰(zhàn)略——Altera是目前唯一一家毛利率好于Intel的半導(dǎo)體公司，并且其三分之二的收入來(lái)自于電信、無(wú)線、軍事和太空等領(lǐng)域。無(wú)論如何，Altera能夠以其單一的FPGA產(chǎn)品線“傍上”Intel，或多或少都證明了FPGA存在的價(jià)值。

要說(shuō)Intel，誰(shuí)人不曉，基本上家家戶戶都或多或少有一些帶著Intel烙印的家當(dāng)；而反觀Altera，別人可以不知道，但是你要是不知道就要遭受各種鄙視了。身處電子行業(yè)，沒(méi)有玩過(guò)FPGA不稀奇，但是沒(méi)有聽說(shuō)過(guò)FPGA就有些難為情了。FPGA? Altera？什么情況？好吧，就當(dāng)你真的什么都不知道吧，下面先開始我們的“掃盲行動(dòng)”。入過(guò)門的別嫌煩，直接略過(guò)本節(jié)就好。

1. FPGA是什么

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA就是“可反復(fù)編程的邏輯器件”。如圖1-2所示，這是一個(gè)Altera公司最新的Cyclone V Soc FPGA器件，從外觀上看，似乎和一般的CPU芯片沒(méi)有太大差別。

FPGA取 自Field Programmable Gate Array這 四個(gè)英文單詞的首個(gè)字母，譯為“現(xiàn)場(chǎng)（Field）可編程（Programmable）邏輯陣列（Gate Array）”。至于FPGA到底是什么，能夠干什么，又有什么過(guò)人之處？下面我們就把它和它的“師兄師弟”擺在一起，一一呈現(xiàn)這些問(wèn)題的答案。

2. FPGA、ASIC和ASSP

拋開FPGA不提，大家一定都很熟悉ASIC與ASSP。所謂ASIC，即專用集成電路（Application Specific Integrated Circuit）的簡(jiǎn)稱；而ASSP，即專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品（Application Specific Standard Parts）的簡(jiǎn)稱。電子產(chǎn)品中，它們無(wú)所不在，還真是比FPGA普及得多得多。但是ASIC以及ASSP的功能相對(duì)固定，它是為了專一功能或?qū)Ｒ粦?yīng)用領(lǐng)域而生，希望對(duì)它進(jìn)行任何的功能和性能的改善往往是無(wú)濟(jì)于事的。打個(gè)淺顯的比喻，如圖1-3所示，如果說(shuō)ASIC或ASSP是布滿鉛字的印刷品，那么FPGA就是可以自由發(fā)揮的白紙一張。

使用了FPGA器件的電子產(chǎn)品，在產(chǎn)品發(fā)布后仍然可以對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)做出修改，大大方便了產(chǎn)品的更新以及針對(duì)新的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)做出的相應(yīng)改進(jìn)，從而可以加速產(chǎn)品的上市時(shí)間，并降低產(chǎn)品的失敗風(fēng)險(xiǎn)和維護(hù)成本。相對(duì)于無(wú)法對(duì)售后產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行修改的ASIC和ASSP來(lái)說(shuō)，這是FPGA特有的一個(gè)優(yōu)勢(shì)。由于FPGA可編程的靈活性以及近年來(lái)電子技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，F(xiàn)PGA也正在向高集成、高性能、低功耗、低價(jià)格的方向發(fā)展，并且逐漸具備了與ASIC和ASSP相當(dāng)?shù)男阅埽蛊浔粡V泛地應(yīng)用在各行各業(yè)的電子及通信設(shè)備中。

3. FPGA、ARM和DSP

與ASIC相比，F(xiàn)PGA、ARM和DSP都具備與生俱來(lái)的可編程特性。或許身處開發(fā)第一線的底層工程師要說(shuō)No了，很多ASIC不是也開放了一些可配置選項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)“可編程”特性嗎？是的，但與FPGA、ARM、DSP能夠“為所欲為”的任意操控一整個(gè)系統(tǒng)而言，ASIC的那點(diǎn)“可編程”性的確擺不上臺(tái)面。當(dāng)然，換個(gè)角度來(lái)看，F(xiàn)PGA、ARM和DSP都或多或少集成了一些ASIC功能，正是這些ASIC功能，加上“可編程”特性，使得它們相互區(qū)別開了，并且各自獨(dú)霸一方。

ARM（Advanced RISC Machines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。由ARM公司設(shè)計(jì)的處理器風(fēng)靡全球，大有嵌入式系統(tǒng)無(wú)處不ARM的趨勢(shì)。因此，我們通常所說(shuō)的ARM，更多的是指ARM公司的處理器，即ARM處理器，如圖1-4所示。ARM通常包含一顆強(qiáng)大的處理器內(nèi)核，并且為這顆處理器量身配套了很多成熟的軟件工具以及高級(jí)編程語(yǔ)言，這也是它備受青睞的原因之一。當(dāng)然了，ARM不只是一顆處理器而已，因?yàn)樵贏RM內(nèi)核處理器周邊，各種各樣精于控制的外設(shè)比比皆是，例如GPIO、PWM、AD/DA、UART、SPI、IIC……ARM的長(zhǎng)處是控制和管理，在很多工業(yè)自動(dòng)化中大有用武之地。

DSP（digital singnal processor），如圖1-5所示，即數(shù)字信號(hào)處理器，是一種獨(dú)特的微處理器，有自己的完整指令系統(tǒng)，能夠進(jìn)行高速、高吞吐量的數(shù)字信號(hào)處理。它不像ARM那么“胡里花俏”，它更“專”。它只專注一件事，就是對(duì)各種語(yǔ)音、數(shù)據(jù)和視頻做運(yùn)算處理；或者也可以這么說(shuō)，DSP是為各種數(shù)學(xué)運(yùn)算量身打造的。

相比之下，套用近些年一句業(yè)內(nèi)很火的廣告詞“All Programmable”來(lái)形容FPGA再合適不過(guò)了。ARM雖然有很多外設(shè)，DSP雖然具備強(qiáng)大的信號(hào)運(yùn)算能力，但在FPGA眼里，這些都不過(guò)是“小菜一碟”。或許說(shuō)得有些過(guò)了，但是，毫不夸張地講，ARM能做的，DSP能做的，F(xiàn)PGA一定也都能做；而FPGA可以做的，ARM不一定行，DSP也不一定行。在很多原型產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，時(shí)不時(shí)有人會(huì)提出基于FPGA的方案。在一些靈活性要求高、定制化程度高、性能要求也特別高的場(chǎng)合，F(xiàn)PGA（如圖1-6所示）再合適不過(guò)了，甚至有時(shí)會(huì)是設(shè)計(jì)者別無(wú)選擇的選擇；當(dāng)然了，客觀來(lái)看，F(xiàn)PGA固然強(qiáng)大，它高高在上的成本、功耗和開發(fā)復(fù)雜性還是會(huì)讓很多潛在的目標(biāo)產(chǎn)品望而卻步，而在這些方面，ARM和DSP正好彌補(bǔ)了FPGA所帶來(lái)的缺憾。

總而言之，在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，F(xiàn)PGA、ARM和DSP互有優(yōu)劣，各有所長(zhǎng)。很多時(shí)候它們所實(shí)現(xiàn)的功能無(wú)法簡(jiǎn)單的相互替代，否則我們就不會(huì)見到如TI的達(dá)芬奇系列ARM中有DSP、Xilinx的Zynq或Altera的Soc FPGA中有ARM的共生現(xiàn)象了。FPGA、ARM和DSP，它們將在未來(lái)很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)三足鼎立的局面。

4. Verilog與VHDL

說(shuō)到FPGA，我們一定關(guān)心它的開發(fā)方式。FPGA開發(fā)本質(zhì)上就是一些邏輯電路的實(shí)現(xiàn)而已，因此早期的FPGA開發(fā)通過(guò)繪制原理圖（和現(xiàn)在的硬件工程師繪制原理圖的方式大體相仿）完成。而隨著FPGA規(guī)模和復(fù)雜性的不斷攀升，這種落后的設(shè)計(jì)方式幾乎已經(jīng)被大家遺忘了，取而代之的是能夠?qū)崿F(xiàn)更好的編輯性和可移植性的代碼輸入方式。

說(shuō)到FPGA的設(shè)計(jì)代碼方式，經(jīng)過(guò)近三十年的發(fā)展，只有Verilog和VHDL二者最終脫穎而出，成為了公認(rèn)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于這兩種不同的語(yǔ)法，它們的歷史淵源、孰優(yōu)孰劣這里就不提了。美國(guó)和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的邏輯設(shè)計(jì)公司大都以Verilog語(yǔ)言為主，國(guó)內(nèi)目前學(xué)習(xí)和使用Verilog的人數(shù)也在逐漸超過(guò)VHDL。從學(xué)習(xí)的角度來(lái)講，Verilog相對(duì)VHDL有著快速上手、易于使用的特點(diǎn)，博得了更多工程師的青睞。即便是從來(lái)沒(méi)有接觸過(guò)Verilog的初學(xué)者，只要憑著一點(diǎn)C語(yǔ)言的底子加上一些硬件基礎(chǔ)，三兩個(gè)月很快就可以熟悉Verilog語(yǔ)法。當(dāng)然了，僅僅是入門還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，真正掌握Verilog必須花費(fèi)很多時(shí)間和精力，并通過(guò)一些項(xiàng)目的實(shí)踐，才會(huì)慢慢對(duì)可編程邏輯器件的設(shè)計(jì)有更深入的理解和認(rèn)識(shí)。

5. Altera、Xilinx和Lattice

相比于互聯(lián)網(wǎng)的那些“暴發(fā)戶”，半導(dǎo)體行業(yè)則更講究歷史底蘊(yùn)，“今天丑小鴨，明天白天鵝”的故事要少得多，因此兩家歷史最為久遠(yuǎn)的FPGA供應(yīng)商Altera和Xilinx憑著一直以來(lái)的專注，確保了它們?cè)谶@個(gè)行業(yè)的統(tǒng)治地位。當(dāng)然了，很大程度上也是由于FPGA技術(shù)相對(duì)于一般的半導(dǎo)體產(chǎn)品有著更高的門檻，從器件本身到一系列配套的工具鏈，再到終端客戶的技術(shù)支持——這一籮筐的麻煩事，想想就頭疼。

不過(guò)，提醒大家注意的是，開篇我們提到的Intel大手筆新聞，無(wú)論是不是空穴來(lái)風(fēng)，最終Altera是否能夠嫁入豪門，這都在預(yù)示著一個(gè)新的趨勢(shì)——FPGA技術(shù)將迎來(lái)它的又一個(gè)繁茂復(fù)活的春天。

嘮叨一大氣，趕緊回到我們的主題上來(lái)。目前FPGA器件的主流廠商Altera公司和Xilinx公司，它們的可編程邏輯器件占到了全球市場(chǎng)的60%以上。從明面上的“競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手”到今天暗地里還客氣地互稱“友商”，不難看出兩家公司走過(guò)歷史長(zhǎng)河，雖然有“明爭(zhēng)暗斗”，但確也不經(jīng)意間的彼此促進(jìn)，互相激勵(lì)。的確，翻看FPGA的發(fā)展史，往往充斥著這兩家公司不斷上演的“你方唱罷我登場(chǎng)”的情節(jié)，并且偶爾也會(huì)有第三者如Lattice小弟的“插足”戲份。不過(guò)這好在新千年過(guò)后，各方重新定位，Altera和Xilinx便牢牢把持住象征統(tǒng)治地位的中高端市場(chǎng)，而Lattice也只能在低端市場(chǎng)找找“山中無(wú)老虎，猴子稱大王”的感覺(jué)了。

不論是Altera、Xilinx還是Lattice，甚至一些后來(lái)者，如筆者接觸過(guò)的國(guó)內(nèi)FPGA廠商京微雅格，它們的FPGA器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)雖然略有差異，但在開發(fā)流程、開發(fā)工具乃至原廠提供的各種支持上，都是“換湯不換藥”的。所以，這對(duì)于用戶而言，絕對(duì)是一個(gè)福音，只要好好掌握一套方法論，任何廠商的器件都可以通吃。

1.2 FPGA的優(yōu)勢(shì)與局限性

若要準(zhǔn)確評(píng)估FPGA技術(shù)能否滿足開發(fā)產(chǎn)品的功能、性能以及其他各方面的需求，深入理解FPGA技術(shù)是至關(guān)重要的。在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期中，如果產(chǎn)品功能可能會(huì)有較大的升級(jí)或變更，那么使用FPGA技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)就會(huì)有很大的優(yōu)勢(shì)。

在考慮是否使用FPGA技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)產(chǎn)品時(shí)，我們需要重點(diǎn)從以下幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)估。

? 可升級(jí)性——產(chǎn)生在設(shè)計(jì)過(guò)程中，甚至將來(lái)產(chǎn)品發(fā)布后，是否有較大的功能升級(jí)需求？是否應(yīng)該選擇具有易于更換的同等級(jí)、不同規(guī)模的FPGA器件？

? 開發(fā)周期——產(chǎn)品開發(fā)周期是否非常緊迫？若使用FPGA開發(fā)，是否比其他方案具有更高的開發(fā)難度，能否面對(duì)必須在最短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)出產(chǎn)品的挑戰(zhàn)？

? 產(chǎn)品性能——產(chǎn)品的數(shù)據(jù)速率、吞吐量或處理能力是否有特殊要求？是否應(yīng)該選擇性能更好或速度等級(jí)更快的FPGA器件？

? 實(shí)現(xiàn)成本——是否有基于其他ASIC、ARM或DSP的方案，能夠以更低的成本實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)？FPGA開發(fā)所需的工具、技術(shù)支持、培訓(xùn)等額外的成本有哪些？通過(guò)開發(fā)可復(fù)用的設(shè)計(jì)，是否可以將開發(fā)成本分?jǐn)偟蕉鄠€(gè)項(xiàng)目中？是否有已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的參考設(shè)計(jì)或者IP核可供使用？

? 可用性——器件的性能和尺寸的實(shí)現(xiàn)，是否可以趕上量產(chǎn)？是否有固定功能的器件可以代替？在產(chǎn)品及其衍生品的開發(fā)過(guò)程中，是否實(shí)現(xiàn)了固定功能？

? 其他限制因素——產(chǎn)品是否要求低功耗設(shè)計(jì)？電路板面積是否大大受限？工程實(shí)現(xiàn)中是否還有其他的特殊限制？

基于以上的這些考慮因素，我們可以從如下三大方面總結(jié)出在產(chǎn)品的開發(fā)或產(chǎn)品的生命周期中，使用FPGA技術(shù)實(shí)現(xiàn)所能夠帶來(lái)的潛在優(yōu)勢(shì)。

? 靈活性

可重編程，可定制。

易于維護(hù)，方便移植、升級(jí)或擴(kuò)展。

降低NRE成本，加速產(chǎn)品上市時(shí)間。

支持豐富的外設(shè)接口，可根據(jù)需求配置。

? 并行性

更快的速度、更高的帶寬。

滿足實(shí)時(shí)處理的要求。

? 集成性

更多的接口和協(xié)議支持。

可將各種端接匹配元件整合到器件內(nèi)部，有效降低BOM成本。

單片解決方案，可以替代很多數(shù)字芯片。

減少板級(jí)走線，有效降低布局布線難度。

當(dāng)然了，在很多情況下，F(xiàn)PGA不是萬(wàn)能的。FPGA技術(shù)也存在著一些固有的局限性。從以下這些方面看，選擇FPGA技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)有時(shí)并不是明智的決定。

? 在某些性能上，F(xiàn)PGA可能比不上專用芯片；或者至少在穩(wěn)定性方面，F(xiàn)PGA可能要遜色一些。

? 如果設(shè)計(jì)不需要太多的靈活性，F(xiàn)PGA的靈活性反而是一種浪費(fèi)，會(huì)潛在增加產(chǎn)品的成本。

? 相比特定功能、應(yīng)用集中的ASIC，使用FPGA實(shí)現(xiàn)相同功能可能產(chǎn)生更高的功耗。

? 在FPGA中除了實(shí)現(xiàn)專用標(biāo)準(zhǔn)器件（ASSP）所具有的復(fù)雜功能，還要添加一些額外的功能，實(shí)屬一大挑戰(zhàn)。FPGA的設(shè)計(jì)復(fù)雜性和難度可能會(huì)給產(chǎn)品的開發(fā)帶來(lái)一場(chǎng)噩夢(mèng)。

1.3 FPGA開發(fā)所需的技能

前面的文字已經(jīng)做了很多鋪墊，相信讀者在初學(xué)FPGA時(shí)也一定早有耳聞。的確，F(xiàn)PGA是一門相對(duì)復(fù)雜的技術(shù)，先不說(shuō)設(shè)計(jì)本身，單是器件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、煩瑣的開發(fā)流程、開發(fā)過(guò)程中需要接觸的各種EDA工具，有時(shí)都會(huì)把工程師們折騰得暈頭轉(zhuǎn)向。

相比于單一處理器的開發(fā)，今天的FPGA開發(fā)卻可能會(huì)涉及嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方方面面。如圖1-7所示，很多時(shí)候，F(xiàn)PGA工程師需要具備的技能可能要比其他任何設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)多得多，如系統(tǒng)設(shè)計(jì)、功能分配、嵌入式處理器的實(shí)現(xiàn)、DSP算法的實(shí)現(xiàn)、HDL設(shè)計(jì)輸入、仿真、設(shè)計(jì)優(yōu)化和高速電路板的布局布線以及特定信號(hào)接口的實(shí)現(xiàn)等。

至今在業(yè)內(nèi)可能還有爭(zhēng)論，到底FPGA是屬于純粹軟件的范疇還是純粹硬件的范疇。從FPGA設(shè)計(jì)的方式和手段上看，和軟件有些相似；但從FPGA設(shè)計(jì)的思想和實(shí)現(xiàn)方面看，更多的趨向于硬件層面。因此，用“軟硬兼施”這個(gè)詞來(lái)形容FPGA工程師的工作就再貼切不過(guò)了。我們說(shuō)的“軟”，一方面的確是傳統(tǒng)意義上的軟件編程工作可能需要在FPGA中實(shí)現(xiàn)，另一方面的“軟”則指的是FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)所需要的代碼輸入方式。

單純的軟和硬，還只是很低級(jí)的技能。無(wú)論是在FPGA中內(nèi)嵌了處理器，還是FPGA外部需要接口的處理器，F(xiàn)PGA都不可避免地要和純軟件打交道，這種軟硬銜接部分的設(shè)計(jì)非常有講究，這也是FPGA工程師系統(tǒng)思維的一種要求。

雖然FPGA開發(fā)中需要涉及眾多的技能門類，對(duì)于一些規(guī)模不大的工程項(xiàng)目，可能FPGA工程師確實(shí)要承擔(dān)起“既當(dāng)?shù)之?dāng)媽”的重任；但是對(duì)于中大規(guī)模的工程項(xiàng)目，一定會(huì)有一個(gè)分工明確的團(tuán)隊(duì)協(xié)作完成。這樣的團(tuán)隊(duì)，絕對(duì)是一個(gè)不折不扣的嵌入式系統(tǒng)精英大薈萃：板級(jí)硬件工程師進(jìn)行FPGA的板級(jí)原理圖繪制、layout等工作；FPGA工程師做底層邏輯實(shí)現(xiàn)；嵌入式軟件工程師做軟件編程工作；也可能會(huì)有算法工程師的參與；當(dāng)然還可能會(huì)有系統(tǒng)工程師統(tǒng)領(lǐng)全局（實(shí)際情況是，這個(gè)角色往往由項(xiàng)目經(jīng)理兼任），對(duì)各個(gè)模塊（包括軟硬銜接部分）和接口進(jìn)行劃分和界定。

1.4 FPGA應(yīng)用領(lǐng)域

目前FPGA雖然還受制于較高的開發(fā)門檻以及器件本身昂貴的價(jià)格，并從應(yīng)用的普及率上來(lái)看和ARM、DSP還是有一定的差距，但是在非常多的應(yīng)用場(chǎng)合，工程師們還是要?jiǎng)e無(wú)選擇地使用它。FPGA所固有的靈活性和并行性是其他芯片所不具備的，所以它的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋得很廣。從技術(shù)角度來(lái)看，主要是有以下需求的應(yīng)用場(chǎng)合（如圖1-8所示）：

? 邏輯粘合，如一些嵌入式處理常常需要地址或外設(shè)擴(kuò)展，CPLD器件尤其適合。已經(jīng)少有項(xiàng)目會(huì)選擇一顆FPGA器件專門用于邏輯粘合的應(yīng)用，但是在已經(jīng)使用的FPGA器件中順便做些邏輯粘合的工作倒是非常普遍。

? 實(shí)時(shí)控制，如液晶屏或電機(jī)等設(shè)備的驅(qū)動(dòng)控制，此類應(yīng)用也以CPLD或低端FPGA為主。

? 高速信號(hào)采集和處理，如高速AD前端或圖像前端的采集和預(yù)處理，近年來(lái)持續(xù)升溫的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用也幾乎無(wú)一例外地使用了FPGA器件。

? 協(xié)議實(shí)現(xiàn)，如更新較快的各種有線和無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)、廣播視頻及其編解碼算法、各種加密算法等，使用FPGA比ASIC更有競(jìng)爭(zhēng)力。

? 各種原型驗(yàn)證系統(tǒng)，由于工藝的提升，流片成本也不斷攀升，而在流片前使用FPGA做前期的驗(yàn)證已成為非常流行的做法。

? 片上系統(tǒng)，如Altera公司的Soc FPGA和Xilinx公司的Zynq，這類FPGA器件，既有成熟的ARM硬核處理器，又有豐富的FPGA資源，大有單芯片一統(tǒng)天下的架勢(shì)。

當(dāng)然了，若從具體的應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)看，F(xiàn)PGA在電信、無(wú)線通信、有線通信、消費(fèi)電子產(chǎn)品、視頻和圖像處理、車載、航空航天和國(guó)防、ASIC原型開發(fā)、測(cè)試測(cè)量、存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)安全、醫(yī)療電子、高性能計(jì)算以及各種定制設(shè)計(jì)中都有涉獵。總而言之，F(xiàn)PGA所誕生并發(fā)展的時(shí)代是一個(gè)好時(shí)代，與生俱來(lái)的一些特性也注定了它將會(huì)在這個(gè)時(shí)代的大舞臺(tái)上大放光彩。

1.5 FPGA開發(fā)流程

如圖1-9所示。這個(gè)流程圖是一個(gè)相對(duì)比較高等級(jí)的FPGA開發(fā)流程，從項(xiàng)目提上議程開始，設(shè)計(jì)者需要進(jìn)行FPGA功能的需求分析，然后進(jìn)行模塊的劃分，比較復(fù)雜和龐大的設(shè)計(jì)則會(huì)通過(guò)模塊劃分把工作交給一個(gè)團(tuán)隊(duì)的多人協(xié)作完成。各個(gè)模塊的具體任務(wù)和功能劃分完畢（通常各個(gè)模塊間的通信和接口方式也同時(shí)被確定），則可以著手進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括代碼輸入、綜合優(yōu)化、實(shí)現(xiàn)（映射和布局布線）。為了保證設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期要求，各種設(shè)計(jì)的約束輸入以及仿真驗(yàn)證也穿插其間。在EDA工具上驗(yàn)證無(wú)誤后，則可以生成下載配置文件燒錄到實(shí)際器件中進(jìn)行板級(jí)的調(diào)試工作。從圖1-9中的箭頭示意不難看出，設(shè)計(jì)的迭代性是FPGA開發(fā)過(guò)程中的一個(gè)重要特點(diǎn)，這就要求設(shè)計(jì)者從一開始就要非常認(rèn)真細(xì)致，否則后續(xù)的很多工作量可能就是不斷返工。

當(dāng)然了，對(duì)于沒(méi)有實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)的初學(xué)者而言，這個(gè)流程圖可能不是那么容易理解。不過(guò)沒(méi)有關(guān)系，我們會(huì)簡(jiǎn)化這個(gè)過(guò)程，從實(shí)際操作角度，以一個(gè)比較簡(jiǎn)化的順序的方式來(lái)理解這個(gè)流程。如圖1-10所示，從大的方面來(lái)看，F(xiàn)PGA開發(fā)流程不過(guò)是三個(gè)階段，第一個(gè)階段是概念階段，或者也可以稱之為架構(gòu)階段，這個(gè)階段的任務(wù)是項(xiàng)目前期的立項(xiàng)準(zhǔn)備，如需求的定義和分析、各個(gè)設(shè)計(jì)模塊的劃分；第二個(gè)階段是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)階段，這個(gè)階段包括編寫RTL代碼、并對(duì)其進(jìn)行初步的功能驗(yàn)證、邏輯綜合和布局布線、時(shí)序驗(yàn)證，這一階段是詳細(xì)設(shè)計(jì)階段；第三個(gè)階段是FPGA器件實(shí)現(xiàn)，除了器件燒錄和板級(jí)調(diào)試外，其實(shí)這個(gè)階段也應(yīng)該包括第二個(gè)階段的布局布線和時(shí)序驗(yàn)證，因?yàn)檫@兩個(gè)步驟都是和FPGA器件緊密相關(guān)的。我們這么粗略的三個(gè)階段劃分并沒(méi)有把FPGA整個(gè)設(shè)計(jì)流程完全的孤立開來(lái)，恰恰相反，從我們的階段劃分中，我們也看到FPGA設(shè)計(jì)的各個(gè)環(huán)節(jié)是緊密銜接、相互影響的。