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Xilinx Artix-7 FPGA快速入門、技巧與實例連載3——FPGA發展概述 更多資料共享 鏈接：https://share.weiyun.com/53UnQas 
上世紀60年代中期，TI公司設計制造了各式各樣的實現基本邏輯門電路功能的芯片，相信今天很多的工程師仍然很熟悉這些主要面對軍工應用的54XX和商業應用的74XX芯片。據說早期的工程師甚至能夠單憑著這些芯片架構出一顆簡單CPU的功能。還真別小瞧這些基本邏輯門電路，話說萬丈高樓平地起，如果說今天在嵌入式領域呼風喚雨的各種功能強大的ARM7、ARM9、DSP是萬丈高樓，那么稱這些基本的邏輯門電路為一磚一瓦倒是一點也不為過。
圖1.11 經典DIP封裝的74芯片 從1971年Intel公司的第一顆4位微處理器Intel4004到上世紀80年代初被奉為經典的8051單片機，再到今天各大嵌入式處理器廠商競相使用的由ARM公司推出的各種Cortex內核，嵌入式處理器的發展不可不說是翻天覆地。不過話又說回來，如果深入處理器的底層結構，你會發現他們最本質的東西并沒有太大的改變。而處理器再強大，一顆芯片盡可以將各種外設嵌入其中，但對于任何一顆已經批量出貨的芯片而言，它的功能是固定的，若想在既有外設功能的基礎上有任何的擴展，或許不是遇到電氣特性不支持就是遇到IO太少的尷尬，而這些問題也就催生了可編程邏輯器件的誕生。今天的CPU周圍已很難看見54或74字樣的ASIC了，取而代之的可能是管腳密集的CPLD或FPGA。的確，在系統的可擴展性和靈活性方面，FPGA/CPLD有著得天獨厚的優勢。當然了，今天動輒上百萬門的FPGA器件可不是為干這點活而制造的，它更多的被應用到了通信、數據采集、網絡、圖像處理、算法實現等對數據傳輸吞吐量和處理速度有更高要求的場合。
圖1.12 CPU的鼻祖Intel 4004 今天大家熟知的FPGA/CPLD也不是一開始就有的，第一款可編程邏輯器件（PLD）最初是在1970年以PROM的形式進入人們的視野，這種PROM結構的可編程邏輯器件可以實現簡單的邏輯功能，很容易便可替代當時流行的54或74系列邏輯門電路。 受限于PROM的結構，第一款可編程邏輯器件的輸入接口相對較少。因此，可編程邏輯陣列（PAL）便孕育而生，PAL由一個可編程的“與”平面和一個固定的“或”平面構成，或門的輸出可以通過觸發器有選擇地被置為寄存狀態。PAL器件是現場可編程的，它的實現工藝有反熔絲技術、EPROM技術和EEPROM技術。PAL的問題在于其實現方式使得信號通過可編程連線的時間相對較長。在PAL的基礎上，又發展了一種通用陣列邏輯GAL，它要比PAL速度快許多，它采用了EEPROM工藝，實現了電可擦除、電可改寫，其輸出結構是可編程的邏輯宏單元，因而它的設計具有很強的靈活性，至今仍有許多人使用。
圖1.13 如今已經絕跡的PAL/GAL 這些早期的PLD器件的一個共同特點是可以實現速度特性較好的邏輯功能，但其過于簡單的結構也使它們只能實現規模較小的電路。電子領域的發展趨勢總是朝著速度更快、功能更強、體積更小、成本更廉價的方向邁進。復雜可編程邏輯器件（CPLD）的誕生也就順理成章了。Altera公司于1984年發明了基于CMOS和EPROM技術相結合的CPLD。CPLD可實現的邏輯功能相比PAL和GAL有了大幅度的提升，已經可以勝任設計中復雜性較高、速度也較快的邏輯功能，尤其在接口轉換、總線控制和擴展方面有著較多的應用。經過幾十年的發展，今天的CPLD功能和性能也得到了進一步的提升，其基本結構由可編程IO單元、基本邏輯單元、布線池以及其他相關輔助功能塊組成。Altera、Xilinx和Lattice是主要的CPLD供應商。
圖1.14 也是火過一時的CPLD 其實無論是前面提到的PAL、GAL或是CPLD，要實現大規模的復雜邏輯電路都顯得無能為力。而ASIC的設計耗時又費錢，而且功能固定，在流片后很難隨意更改。鑒于此，Xilinx創始人之一Ross Freeman發明了現場可編程門陣列（FPGA），Freeman先生發明的FPGA是一塊全部由“開放式門”組成的計算機芯片。采用該芯片，工程師可以根據需要進行靈活編程，添加各種新功能，以滿足不斷發展的協議標準或規范，工程師們甚至可以在設計的最后階段對它進行修改和升級。Freeman先生當時就推測低成本、高靈活性的FPGA將成為各種應用中定制芯片的替代品。也正是由于此項偉大的發明，讓Freeman先生于2009年榮登美國發明家名人堂。
圖1.15 FPGA發明人RossFreeman 三十多年后的今天，伴隨著制造工藝的不斷進步，FPGA在深亞微米甚至深亞納米時代一直走在了創新第一線。如今的FPGA器件，其組成不僅限于基本的可編程邏輯單元、可編程IO單元、豐富的布線資源，而且還擁有靈活的時鐘管理單元、嵌入式塊RAM以及各種通用的內嵌功能單元，很多器件還順應市場需求內嵌專用的硬件模塊。近些年來，可編程器件的龍頭老大Xilinx和Altera更是相繼推出了硬核CPU+FPGA的產品，此舉大有單芯片橫掃千軍的架勢。
圖1.15 野心十足的ARM+FPGA 電子行業在繼續挑戰摩爾定律的征程中，無論是可編程器件繼續大放光彩，還是ASIC能夠重獲新生。可編程器件，尤其是FPGA器件的發明和大量應用已經足夠讓我們豎然起敬。相信對于很多即將或者已經走上電子硬件設計的同仁們，對可編程器件的了解、熟悉甚至精通是提升自身技術能力的基本技能之一。
圖1.16 FPGA學習在路上 更多資料共享 鏈接：https://share.weiyun.com/53UnQas |
