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FPGA即现场可编程门阵列，是一种芯片，它具有很大的灵活性，几乎可以让你实现任何你能想到的数字逻辑功能，但是它本身并不做任何事情，它没有预设的功能。 单片机有内置的计算核心，所有功能都是硬件实现好的，你只需要设计应用程序。而FPGA不是这样的，你给它通电后他只会呆在那里什么事也不做，但是你可以编程FPGA芯片来实现数字电路，可以把FPGA变成AVR或者PIC单片机，可以把它变成数字信号处理器，可以把他变成能驱动数千个LED的驱动器，他非常灵活，因为他是通过数千，数万，数十万甚至更多的独立逻辑单元CLB（可配置逻辑单元configuration logic block）来实现。他基本能实现任何你能想到的基础逻辑功能，因为有数千，数万甚至数十万计的逻辑单元，他们配合可以完成复杂的或者简单的数字逻辑功能，这些逻辑单元位于红色的交叉互联矩阵中。芯片内部的金属连接线可以被配置成任意的连接方式，可以把分布在各个地方的逻辑单元和IO针脚连接起来，来实现你想要的功能。FPGA芯片是由许多与非门和连接线组成，FPGA的内部布线是个问题，非常多的CLB和连接线， 现代的FPGA包含门电路，触发器，查找表等。外围是一定数量的互联接线网络

CLB的结构 ：

基本有4个输入（A,B,C,D），不同的FPGA可能有更多的输入的查找表

所有可编程熔断器都在LUT里面，可以对熔断器编程来实现特定的功能，熔断器基本上是门电路组成，另外一般还会有一个或多个触发器，可以以不同的方式操作他们，他们可以连接到外部时钟信号，也可以连接到内部结构，中间可能存在一些切换的逻辑，还有触发器的复位线，你可以选择触发器的正反相输出中的一个作为CLB的输出，基本上就是一些输入，一些逻辑门，一些触发器和锁存器，让你可以实现锁存和时钟逻辑，然后你就得到了输出信号。

四周有连接到外部引脚的IO单元，它们的内部结构其实相当复杂，它们不只是外部引脚的驱动电路，它们还可以被编程，配置成不同的功能，输入，输出，三态。配置成差分对线而不是单线输出，你可以在不同的引脚上用不同的逻辑电平，内部有触发器，锁存器驱动DDR存储器 ，还有很多这些复杂的功能

FPGA 是易失性的，他不能记住自己的内部配置，当你断开电源，FPGA 中的所有配置都没了。就像刚出厂的时候一样的空白芯片，但是FPGA 内部有一个复杂的配置模块，当他连接到一个外部的存储配置信息的闪存芯片，一般是4位或者8位的串行，并行也可 以，它里面存储了所有的熔断器的配置信息， 逻辑单元之间是怎么连接的，逻辑单元内部是怎么配置的，IO内部是怎么配置的，所以FPGA工作需要很大的闪存，而且因为需要编程的熔断器的数量很多，它们不是一次性的，它实际上是用于存储功能配置信息的晶体管或锁存器。

当FPGA断电又上电时，FPGA内部没有任何配置信息，但他的配置模块当你上电时，他就会知道，来电了，我要从外部闪存读取配置信息，然后对熔断器进行配置，配置过程要花上几秒钟，所以FPGA上电后不能马上开始运行。

FPGA的优点：

1、他能做任何数字逻辑的事情，可以变成单片机，超级计算机，驱动器驱动巨量的LED。

2、他的速度也很快，最基础的FPGA,IO的串行传输性能也能达到Gbps的级别，他的收发器速度可以支持Gbps级别的串行数据的解码，速度非常快。

相比之下，有比较快的现代处理器的单片机，比如树莓派上的ARM芯片，可能操作IO引脚，达到100MHz左右的速度，但是处理器会成为瓶颈，当输入信号达到100MHz的时候，就做不了重要的计算了。对于FPGA，它里面有许多逻辑单元可以来处理，海量并行，它们可以配置成专门用来处理输入信号，如果你需要高速实时的处理一些输入信号并且输出，你可以配置一部分逻辑资源专门来做这个事情，他在速度上有不可思议的灵活性。

FPGA是现场可编程的，单片机也是可以重新编程的，你可以现场刷新硬件。这两者的区别在于FPGA并不一定就是一个处理器,事实上他并没有内置处理器功能，除非你给他塞进去一个。假如你设计了一个产品，用到了单片机，当你把它拿到现场的时候发现，啊…不！我要改下设计，但是改不了，芯片没有足够的剩余资源了。但是如果是FPGA，如果你的处理器是实现在FPGA里面的，如果片上的剩余资源还足够的话，你在现场需要一个FIR滤波器，或类似的东西，你可以按你想要的重新配置，只要FPGA中有剩余资源 ，你可以配置一个FIR滤波器，调整一下PID控制器什么的，他比可编程的单片机更强大，它功能不仅限于单片机和处理器，他可以做任何东西。

海量并行是FPGA的最大优势之一，当你用单片机时，所有事都由处理器串行处理，一行一行的执行你的代码，即使你用上了实时操作系统，也不是真的实时，操作系统处理A的时刻，不可能同时处理B。但是用FPGA，就可以做到，因为FPGA中的逻辑单元是完全可配置的，完全独立，所以当你在输出A的时刻，可以输入B，在这一时刻，还可以做许多操作，只要你有足够的IO引脚和逻辑单元，你可以并行的处理数百计地事情。如模数转换器，如果你有50个通道的ADC数据进来，ADC是外置的，因为它只有数字功能，干不了模拟的事情，而你需要一次处理这些数据，可以搞50个通道的采样、保持，然后再全部处理，但是有速度的瓶颈。对于FPGA，你可以用一些特定的逻辑单元专门处理一个通道，再在FPGA上把这个配置复制50次，100次…你有数十万的逻辑单元可以使用，非常好，这就是FPGA海量并行的优势，如果你想一次性并行处理很多事，应该用FPGA而不是单片机。

多IO引脚优势：

FPGA是专长于大量IO的应用场景 ，FPGA的研发有向高IO能力倾斜的趋势，当你在讨论FPGA的好坏时等于是在讨论它内部逻辑单元的数量，你很难找到只有很少引脚的好的FPGA，你找不到SO16.QFP44这样封装的FPGA,它们有几百个到上千个引脚，因为引脚多，FPGA芯片一般都是像BGA这样很难用的封装。

如果你想驱动一个巨大的LED阵列（几百乘几百的）可以用单片机加上一大堆74HC595锁存器之类的，来锁存行列信息，但是会遇到速度瓶颈，处理器需要处理的非常快。FPGA可以并行的完成，它有几百个IO引脚，你可以选一个有几百个引脚的，然后一次性完成。

FPGA也有很多缺点：

1、很贵，它们比能实 现类似功能的芯片要贵，FPGA 是市场上最复杂，最尖端的信号处理芯片之一，因为它整合了数百万的逻辑单元，布线，熔断器等等东西以满足灵活行的需要

2、因为它具有这种灵活性， 他的功耗是没有优化的，如果你做低功耗的设计FPGA的功耗不可能接近同样功能的专用芯片，他所用的技术和复杂性让它做不到这一点，他是一种功耗比较高的器件，他们启动时会消耗很多的功率，例如他启动和初始化时会有浪涌电流，所以在低功耗设计中不要用他。

3、无法实现立马唤醒功能。

4、FPGA很复杂，对于新手来说坑很多，容易出错，因为你相当于自己设计芯片，你要考虑所有的时序，所有的布线，器件的复杂程度，怎么配置IO单元等等但是不要太害怕，编译器帮你搞定了很多细节，你不用知道所有细节也能做很多事情。他不仅是在配置上有很多坑，比如如何选择时钟引脚，因为一些IO 单元的时钟引脚连接了内部的高速布线，如果你需要很高速的设计，你需要知道怎么配置FPGA中正确位置的逻辑单元，布局配置不同产生的效果也会不同，开发工具会帮你搞定一些事，但真的要注意，光配置和选择FPGA这里就有很多坑。

5、开发工具很复杂