谢帅 李秀强 李茜 刘小宝 戴昭

摘要：随着我国科学技术的迅猛发展，我国已经完全进去了信息时代，我国的网络技术和通信技术在信息时代的带领之下和人们的生活需求的背景下发展的越来越快。本文针对FPGA的优势、设计流程、在设计方面的设计方法和应用领域等各方面进行了详细的阐述。

关键词：FPGA；芯片设计；应用分析

中图分类号：TN402 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）08-0150-02

1 FPGA的概念

FPGA即Field-Programmable Gate Array 的縮写，即现场可编程门阵列，它是基于PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上形成再次发展的成品。它出现的形式是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路，这种形式的半定制电路既能够弥补定制电路的不足，又能够改正原来的可编程器件门电路数有限的不足。FPGA是由可配置逻辑模块CLB、输出输入模块IOB和内部连线三个部分组成的。FPGA对于小批量系统来说是一项很好的选择，可以提高系统的集成度。

2 FPGA技术的优势和特点

2.1 FPGA技术的性能很好

根据对FPGA的分析表明，在FPGA的某些应用领域方面，FPGA的每分钟的信号处理能力与数字处理信号DSP相比使其多倍的效率，这是因为FPGA在性能方面打破了传统的顺序执行的模式，利用硬件并行的优势，在运行处理速率方面做了很大的提升，其可以在每个周期内完成更多的处理任务，完全超过了数字处理信号的运算速率。FPGA的性能主要体现在其为了满足不同的应用需求在硬件层面的控制输入和输出方面进行了很大的完善，为应用领域提供了更加专业化、更加快速的运算处理系统。

2.2 FPGA技术的设计成本较低

在自定制ASIC设计的非经常性工程中产生的费用与基于FPGA的硬件解决方案所产生的费用相比前者的设计成本更高，且高出了很多倍。ASIC在设计初期为设备制造商在运输数千种芯片方面投入了巨大的成本费用，但是结果表明更多的用户使用自定义的硬件功能就能解决自身对芯片的需求，FPGA的芯片特性注定在进行设计的时候可以节省更多的成本投资，FPGA芯片的交货组装时间与ASIC相比也较短，因此，FPGA的设计成本不仅较低，而且完成效率也快。

2.3 FPGA具有较高的稳定性

FPGA使用硬件并行的方式进行内部的运行，其处理器的系统包含了很多个抽象层，这能在多个进城之间共享资源、计划任务，利用驱动从而控制硬件资源的使用。处理器的系统常常会面临着限时任务相互占取的风险，且对于任何给定的处理器内核，谈一次只能执行一个指令。但是FPGA不使用这种处理器操作系统，它本身具有独立的确定性和每项任务的执行硬件，不存在多个任务共同执行出现相互占取的潜在风险，在运行的稳定性方面提供了一定的保障。

2.4 FPGA能够进行长期维护

FPGA是可以进行现场升级的，不用重新设计ASIC所涉及的时间和费用的投入，是因为ASIC的接口可能存在兼容方面或者维护方面的问题，而数字通信中就包含了能够随时间进行改变的规范，FPGA就能够根据现场的情况或者改变做出适时的调整和修改。

3 FPGA的芯片设计方法

FPGA的电路设计流程一般都是：进行逻辑设计—进行网表设计—精心布局—利用系统进行自动布局—自动布线—产生加载FPGA的配置位图。

3.1 进行逻辑设计

在进行逻辑设计时，一般都要将FPGA芯片所需要呈现的功能及特性进行统计和汇总，将其所需元件进行归纳，采用适合FPGA特性的元件、电路结构来充分高效地进行结构逻辑设计，将元件的位置、电路板上面的线路走向、元件数量、元件种类等都进行充分的考虑。在进行逻辑设计的过程中一定要选择合适的型号的芯片，避免在使用过程中出现差错，以便于提升芯片设计的功能和性价比。

3.2 进行网表设计

可以利用专门的开发软件，在完成FPGA的逻辑设计之后将相关的数据输入开发软件中，首先构建一个模板，设计输入信息或者进行修改，然后利用软件的功能对输入的数据进行细化分析，从而可以得到仿真网格，对其引脚分布、时序约束等进行全编译，从而生成具有延时信息的网表，接着进行时序验证，下载版及调试，如果使用Quartus 2进行综合设计的话就可以得到没有延时信息的网表了。

3.3 自动布线

在进行完繁杂的手工布局及布线之后应该采用开发软件自带的自动布局系统对线路进行系统化的布置，在进行完自动布线之后，系统会将手工布线中的错误之处用红色标注进行提醒，自动布线也是对手工布局和布线的一种复查，另外自动布线也可以将手工布线过程中未来得及做好布线的位置进行统一的布置，使其能够符合布线的标准。

4 FPGA芯片的应用

4.1 应用到数据采集领域中

由于自然界中的信号模拟信号居多，因此信号处理系统中都能实现数据的采集功能，对于比较常见的低速A/D和D/A转换器可以采用标准的其它接口或者通信进行处理，但是对于高速的A/D和D/A转换器，一般的信号处理器就起不了作用，只能使用FPGA进行数据采集。

4.2 应用到逻辑接口领域

在传统的芯片设计中，在进行与PC机进行数据通信时，为了保障信号的传输质量需要的接口数量太多，导致芯片的体积、能耗等都比较大，不利于进行高效的传输。

4.3 应用到电平接口领域

在新的技术不断出现的大环境下，在电子产品的应用方面，电平标准也必须不断的做出改变才能迎合电子产品的更新要求，在这种极度混合的电平环境中，传统的电平接口并不能满足电路的需求，导致电路的复杂性越来越高，而FPGA可以支持多种电平的存在，将FPGA应用到电平接口中可以减少很多不必要的麻烦。

5 结语

综上所述，FPGA在进行芯片设计时利用了自身能够大范围应用于小型集成电路中，实现电路设计的发展要求，利用自身的设计成本低、性能好、稳定性高、能够进行长期维护等特点应用于信号采集领域、逻辑接口领域和电平接口领域中，实现了FPGA的特性的发挥，为我国电路的发展做出了贡献。

参考文献

[1]李艳，陈陵都，陈亮，李明，张倩莉，于芳.面向FPGA芯片开发的测试方法设计与实现[J].微电子学与计算机，2014，31（10）：22-27.

[2]罗红宇.一种基于FPGA芯片设计的FSK解调器[J].科技风，2011，（24）：11.