3、现场可编程门阵列（FPGA）全面解析

现场可编程门阵列（FPGA）全面解析

1. 可编程逻辑基础

可编程硬件的基本理念是打造通用电路，使其功能能针对特定应用进行编程。传统计算机就基于此理念，其算术逻辑单元（ALU）可依据一组控制信号执行多种操作。不过，ALU 一次只能执行一项操作，所以特定应用需分解为一系列控制信号来控制 ALU 功能，同时还需提供逻辑以向 ALU 输入提供合适数据，这些控制信号序列由存储在内存中的程序指令提供。

可编程逻辑则将功能表示为电路，特定电路可编程以满足应用需求。关键区别在于，其功能以并行系统而非顺序系统实现。任何逻辑功能都可通过两级最小项（与或）表示实现。早期可编程逻辑设备采用两级可编程阵列架构，每个输入（及其反相）都可能连接到一组与门的输入，每个圆圈代表对应垂直线和水平线之间的可编程连接，输出部分也类似。实际上，根据德摩根定理，输入和输出部分使用相同电路，与或可实现为与非与非。通过在输出端添加锁存器或触发器，并从输出端向输入端提供适当反馈，可实现顺序逻辑，如计数器和有限状态机。

20 世纪 70 年代初，简单可编程逻辑设备开始出现，主要用于简化包含许多离散逻辑设备的电路。早期设备分为掩膜可编程和熔丝可编程。掩膜可编程设备在制造时编程，用金属掩膜实现硬连线编程；熔丝可编程设备可由用户编程，使电路具备现场可编程性。可编程部分可由熔丝或反熔丝组成，熔丝通过高于正常电流切断连接，反熔丝通过施加高电压击穿薄绝缘层使其导电。由于熔断熔丝或反熔丝是破坏性的，设备一旦编程就无法重新编程。

这种可编程阵列提供了完全的编程灵活性，但人们很快意识到灵活性较低的阵列也有优势。若输出（或）阵列由固定连接取代，每个或门连接固定数量的与门，就得到了可编程阵列逻辑（PAL）。虽然这看似减少了连接数量