FPGA架构详解：从基础概念到最新发展
FPGA架构详解：从基础概念到最新发展
FPGA（Field Programmable Gate Array）是一种现场可编程门阵列，它在数字电路设计中扮演着重要角色。与ASIC（专用集成电路）相比，FPGA具有更高的灵活性，可以在使用过程中进行多次编程。本文将详细介绍FPGA的架构、工作原理以及其在现代计算系统中的应用。
FPGA的基本概念
FPGA即现场可编程门阵列，是一种可以在使用过程中进行编程的集成电路。它由基本的逻辑门电路组成，可以构建各种复杂的数字电路。与ASIC相比，FPGA具有更高的灵活性，可以在使用过程中进行多次编程。而ASIC则是在生产过程中就固定了电路结构，虽然在量产时成本更低、功耗更小，但缺乏灵活性。
硬件架构
FPGA的硬件架构主要由可编程逻辑块（CLB）和可编程互联网络（SB、CB和路由通道）组成。其中，CLB是FPGA的核心逻辑单元，通常包含多个查找表（LUT）和触发器（Flip-Flop）。LUT是一种存储逻辑函数的存储单元，可以实现任意布尔函数。触发器则用于存储数据状态。
FPGA的编程技术主要分为三类：基于SRAM的FPGA、基于Flash的FPGA和基于反熔丝的FPGA。基于SRAM的FPGA在断电后会丢失配置信息，需要在每次启动时重新加载配置数据。基于Flash的FPGA则具有非易失性，可以在断电后保持配置信息。反熔丝FPGA则只能编程一次，不可逆。
组成单元
FPGA的基本组成单元包括查找表（LUT）、开关盒（SB）和连接盒（CB）。LUT是实现逻辑功能的核心单元，通常由SRAM构成。SB和CB则用于实现单元之间的连接和路由。
IP核
FPGA的IP核（Intellectual Property Core）类似于软件中的库，可以提供各种预定义的功能模块，如存储器、计算电路、收发器和协议控制器等。现代FPGA中，可编程门阵列只占50%，其他部分被各种硬IP核占据。
软件流程
FPGA的软件流程主要包括逻辑综合（Synthesis）、技术映射（Technology Mapping）、打包（Packing）、布局（Placement）和布线（Routing）等步骤。这些步骤将高层次的硬件描述语言（如VHDL或Verilog）转换为可以编程到FPGA的比特流。
FPGA管理系统的最新发展
近年来，FPGA管理系统的最新发展主要集中在虚拟化和操作系统方面。研究人员提出了"FPGA操作系统"的概念，并对FPGA虚拟化进行了综述。FPGA虚拟化的目标包括单设备多租户、资源管理、灵活性、隔离性、扩展性、虚拟化性能损失最小化、安全性、可靠性和易用性。
FPGA虚拟化可以分为三种类型：时分复用、虚拟执行和虚拟机。时分复用适用于任务大而单FPGA资源少的情况；虚拟执行将任务切分为多个需要通信的子任务；虚拟机则通过vFPGA支持的hypervisor实现。
FPGA管理系统的最新发展还包括资源级、节点级和多节点级的优化。资源级优化主要关注可配置的逻辑阵列和不可配置的IP核；节点级优化则涉及VMM和shell的设计；多节点级优化则提供抽象，让多个FPGA组合起来工作。
总结
FPGA作为一种现场可编程门阵列，在数字电路设计中具有重要的应用价值。它结合了ASIC的灵活性和CPU的可编程性，可以在使用过程中进行多次编程。随着技术的发展，FPGA在人工智能、数据中心、通信等领域展现出广阔的应用前景。