作為半吊子的硬件開發工程師，一個偶然的機會就去面試了一家互聯網公司的項目經理，其實平台還挺大的，這裡面試都通過了，期間産生的一些問題也跟大家做分享一下。

面試一共是四輪，兩輪技術面，一輪綜合面試，一輪hr面，都死采取電話面試的過程。

其中當問到FPGA的時候，我第一時間竟然隻是聽過，但是不知道具體是什麼東西，抱着務實求真和學習的态度，也就有了這篇文章的出來，希望在總結的同時，也可以跟大家一起分享學習一下。

我将從三個部分跟大家介紹一下什麼是FPGA,他的工作原理，以及更為複雜的FPGA架構。

聽到這個名詞的時候，第一時間是耳熟，FPGA的官方解釋是Field-Programmable Gate Array，翻譯過來就是現場可編程門陣列。

它是在PAL、GAL、CPLD（不可讀系列）等可編程器件的基礎上進一步發展的産物，跟ASIC相比，它是作為一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，也克服了可編程門陣列電路有限的缺點。

相信你應該有聽過CPU，GPU等通用處理器吧，FPGA跟他們相比具有更高的效率，更高的速度、功耗更低等優點，但是他易于開發的程度遠遠不如GPU。

跟剛才ASIC這種專職專用的定制電路相比，FPGA的開發難度較小，開發周期也是更短，更适用于複雜多變的數據中心等應用，但是缺點呢？它犧牲了資源，成本較高，性能上會比專職專用的ASIC定制電路差，在一定程度上不能完全的替代ASIC。

由于FPGA 需要反複燒寫，所以他實現組合邏輯的結構不能像ASIC 那樣通過固定的與非門來完成，而隻能采用一種抑郁反複配置的結構。查找表(LUT)可以很好地滿足這一要求，目前主流FPGA 都采用了基于SRAM 工藝的查找表結構。通過燒寫文件改變查找表内容的方法來實現對FPGA 的重複配置。

FPGA 的原理就是如此，他通過燒寫文件去配置查找表的内容，從而在相同的電路情況下實現了不同的邏輯功能。

那麼什麼是查找表呢？

查找表（Look-Up-Table）簡稱為LUT，LUT 本質上就是一個RAM。目前FPGA 中多實用4 輸入的LUT，所以每一個LUT 可以看成一個有4 位地址線的RAM。當用戶通過原理圖或HDL 語言描述了一個邏輯電路以後，FPGA 開發軟件會自動計算邏輯電路的所有可能結果，并把真值表（即結果）事先寫入RAM，這樣，每輸入一個信号進行邏輯運算就等于輸入一個地址進行查找表，找出相應的内容，然後輸出即可。

簡短概括上面的那段話就是：

• 通過開發軟件将所有可能的結果寫到LUT上，然後通過輸入是何種狀态，直接查找輸出結果。下面這種圖應該會讓你比較直觀的看出來。

它的查找表是什麼呢？

• 在 FPGA，用戶首先寫出“y=(a&b)|c”代碼，軟件工具（QUARTUS、ISE 或 VIVADO）分析這一行代碼，得出 a、b、c 不同值下（共8 種不同值），y 的值分别是多少。

• 然後軟件工具将結果寫到LUT 上，從而實現了該代碼的功能。下圖就是FPGA 的實現基本結構。LUT 就像一個RAM，abc 則相當于地址，通過abc 的地址就得讀到值賦給y。

是不是不難理解呢？到目前為止。

賽靈思公司在1985 年推出的第一塊FPGA—XC2064 包含8×8=64 的邏輯塊陣列，每個邏輯塊包含一個四輸入查找表及其它一些簡單功能。

由于它們的容量非常有限，因此早期的FPGA 隻用來執行一些相對簡單的任務，比如集中一些膠合邏輯，或實現基本的狀态機。

但是随着時間的推移和工藝節點的進步，FPGA 的容量和性能不斷得到提高，功耗卻不斷的下降。直到大約2006 年以前廣泛使用的一直是四輸入查找表，一些高端器件可能使用六、七或八輸入的查找表，這些大家夥可能被用作一個大的查找表，或分裂成許多更小的功能，比如兩個四輸入的查找表或一個三輸入一個五輸入的查找表。

在實際的高端器件中，這種可編程構造可以描述相當于百萬級（有時甚至千萬級）的原始邏輯門。

如果某個邏輯功能（比方說計數器）是用FPGA 的可編程構造實現的，那麼這個功能可以被說成“軟功能”，我們稱之為軟内核。

相比之下，如果某個功能是直接用芯片實現的，則被說成“硬功能”，我們一般稱之為硬内核。

軟内核的優勢在于，你可以讓它們做你想讓它們做的任何事，注意，是數字功能，不包括模拟功能。硬内核的優勢是它們占用較少的矽片面積，具有較高的性能，并且功耗較低，并且硬内核可用于實現模拟功能。例如鎖相環的倍頻功能，這需要用于模拟電路，所以這一部分是在FPGA 内部用硬件來實現的。

可能第一部分什麼是FPGA，以及FPGA的工作原理大家理解起來不會那麼難，第三部分我更多使用文字描述的形式展現，更多也是一種定義，希望不會給你們覺得困難。

總之FPGA理解起來就是一堆的門電路組合，可以反複的進行擦寫，好的甚至可以擦寫百萬次，其實針對FGPA的還有兩部分細節我還沒跟大家介紹，由于篇幅有限，下篇會跟大家補上，主要是：

1. 帶嵌入式處理器的FPGA
2. FPGA的編程方式

讓大家對它有個整體的認識，然後我就會詳細的介紹他的設計與應用，也是為自己理解應用FPGA打下基礎，在日後工作上有更深的理解。

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