作为半吊子的硬件开发工程师，一个偶然的机会就去面试了一家互联网公司的项目经理，其实平台还挺大的，这里面试都通过了，期间产生的一些问题也跟大家做分享一下。

面试一共是四轮，两轮技术面，一轮综合面试，一轮hr面，都死采取电话面试的过程。

其中当问到FPGA的时候，我第一时间竟然只是听过，但是不知道具体是什么东西，抱着务实求真和学习的态度，也就有了这篇文章的出来，希望在总结的同时，也可以跟大家一起分享学习一下。

我将从三个部分跟大家介绍一下什么是FPGA,他的工作原理，以及更为复杂的FPGA架构。

什么是FPGA?

听到这个名词的时候，第一时间是耳熟，FPGA的官方解释是Field-Programmable Gate Array，翻译过来就是现场可编程门阵列。

它是在PAL、GAL、CPLD（不可读系列）等可编程器件的基础上进一步发展的产物，跟ASIC相比，它是作为一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，也克服了可编程门阵列电路有限的缺点。

相信你应该有听过CPU，GPU等通用处理器吧，FPGA跟他们相比具有更高的效率，更高的速度、功耗更低等优点，但是他易于开发的程度远远不如GPU。

跟刚才ASIC这种专职专用的定制电路相比，FPGA的开发难度较小，开发周期也是更短，更适用于复杂多变的数据中心等应用，但是缺点呢？它牺牲了资源，成本较高，性能上会比专职专用的ASIC定制电路差，在一定程度上不能完全的替代ASIC。

FPGA的工作原理

由于FPGA 需要反复烧写，所以他实现组合逻辑的结构不能像ASIC 那样通过固定的与非门来完成，而只能采用一种抑郁反复配置的结构。查找表(LUT)可以很好地满足这一要求，目前主流FPGA 都采用了基于SRAM 工艺的查找表结构。通过烧写文件改变查找表内容的方法来实现对FPGA 的重复配置。

FPGA 的原理就是如此，他通过烧写文件去配置查找表的内容，从而在相同的电路情况下实现了不同的逻辑功能。

那么什么是查找表呢？

查找表（Look-Up-Table）简称为LUT，LUT 本质上就是一个RAM。目前FPGA 中多实用4 输入的LUT，所以每一个LUT 可以看成一个有4 位地址线的RAM。当用户通过原理图或HDL 语言描述了一个逻辑电路以后，FPGA 开发软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把真值表（即结果）事先写入RAM，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查找表，找出相应的内容，然后输出即可。

简短概括上面的那段话就是：

通过开发软件将所有可能的结果写到LUT上，然后通过输入是何种状态，直接查找输出结果。下面这种图应该会让你比较直观的看出来。

它的查找表是什么呢？

在 FPGA，用户首先写出“y=(a&b)|c”代码，软件工具（QUARTUS、ISE 或 VIVADO）分析这一行代码，得出 a、b、c 不同值下（共8 种不同值），y 的值分别是多少。然后软件工具将结果写到LUT 上，从而实现了该代码的功能。下图就是FPGA 的实现基本结构。LUT 就像一个RAM，abc 则相当于地址，通过abc 的地址就得读到值赋给y。

是不是不难理解呢？到目前为止。

更为复杂的FPGA架构

赛灵思公司在1985 年推出的第一块FPGA—XC2064 包含8×8=64 的逻辑块阵列，每个逻辑块包含一个四输入查找表及其它一些简单功能。

由于它们的容量非常有限，因此早期的FPGA 只用来执行一些相对简单的任务，比如集中一些胶合逻辑，或实现基本的状态机。

但是随着时间的推移和工艺节点的进步，FPGA 的容量和性能不断得到提高，功耗却不断的下降。直到大约2006 年以前广泛使用的一直是四输入查找表，一些高端器件可能使用六、七或八输入的查找表，这些大家伙可能被用作一个大的查找表，或分裂成许多更小的功能，比如两个四输入的查找表或一个三输入一个五输入的查找表。

在实际的高端器件中，这种可编程构造可以描述相当于百万级（有时甚至千万级）的原始逻辑门。

如果某个逻辑功能（比方说计数器）是用FPGA 的可编程构造实现的，那么这个功能可以被说成“软功能”，我们称之为软内核。

相比之下，如果某个功能是直接用芯片实现的，则被说成“硬功能”，我们一般称之为硬内核。

软内核的优势在于，你可以让它们做你想让它们做的任何事，注意，是数字功能，不包括模拟功能。硬内核的优势是它们占用较少的硅片面积，具有较高的性能，并且功耗较低，并且硬内核可用于实现模拟功能。例如锁相环的倍频功能，这需要用于模拟电路，所以这一部分是在FPGA 内部用硬件来实现的。

闲聊

可能第一部分什么是FPGA，以及FPGA的工作原理大家理解起来不会那么难，第三部分我更多使用文字描述的形式展现，更多也是一种定义，希望不会给你们觉得困难。

总之FPGA理解起来就是一堆的门电路组合，可以反复的进行擦写，好的甚至可以擦写百万次，其实针对FGPA的还有两部分细节我还没跟大家介绍，由于篇幅有限，下篇会跟大家补上，主要是：

带嵌入式处理器的FPGAFPGA的编程方式

让大家对它有个整体的认识，然后我就会详细的介绍他的设计与应用，也是为自己理解应用FPGA打下基础，在日后工作上有更深的理解。

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