1.1 FPGA技术的发展历史和动向

FPGA器件自问世以来，已经经历了几个发展阶段。驱动每个阶段发展的因素都是工艺技术的发展和应用的需求。正是这些驱动因素，导致器件的特性和工具发生了明显的变化。本节将介绍FPGA技术的发展历史及发展动向。

1.1.1 FPGA技术的发展历史

数字集成电路的发展历史经历了从电子管、晶体管、小规模集成电路到大规模以及超大规模集成电路等不同的阶段。发展到现在，主要有3类电子器件：存储器、处理器和逻辑器件。

存储器保存随机信息（电子数据表或数据库的内容）；处理器执行软件指令，以便完成各种任务（运行数据处理程序或视频游戏）；而逻辑器件可以提供特殊功能（器件之间的通信和系统必须执行的其他所有功能）。

逻辑器件分成两类：

固定的或定制的。

可编程的或可变的。

其中，固定的或定制的逻辑器件通常称为专用芯片（ASIC）。ASIC是为了满足特定用途而设计的芯片，例如MP3解码芯片等。其优点是通过固化的逻辑功能和大规模的工业化生产，降低了芯片的成本，同时提高了产品的可靠性。随着集成度的提高，ASIC的物理尺寸也在不断缩小。但是，ASIC设计的周期长，投资大，风险高，一旦设计结束后，功能就固化了，以后的升级改版工作困难比较大。电子产品的市场正在逐渐细分，为了满足快速产品开发的需要，产生了现场可编程逻辑器件。

自1984年Xilinx公司推出第一个现场可编程逻辑器件至今，FPGA已经历了三十多年的快速发展历程。特别是近几年来，更是发展迅速。FPGA的逻辑规模已经从最初的数千个可用门发展到现在的数千万个可用门。

FPGA技术之所以具有巨大的市场吸引力，其根本原因在于：FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、投入少，芯片价格不断下降。FPGA正在越来越多地取代传统的ASIC，特别是在小批量、个性化的产品市场上。

1.1.2 FPGA技术的发展动向

随着芯片设计工艺水平的不断提高，FPGA技术呈现出以下4个主要发展动向：

1．基于FPGA的嵌入式系统（SoPC）技术正在成熟

System on Chip（SoC）技术在芯片设计领域被越来越广泛地采用，而SoPC技术是SoC技术在可编程器件领域的应用。这种技术的核心是在FPGA芯片内部构建处理器。Xilinx公司主要提供基于Power PC的硬核解决方案，而Altera提供的是基于NIOSII的软核解决方案。Altera公司为NIOSII软核处理器提供了完整的软硬件解决方案，可以让客户短时间内完成SoPC系统的构建和调试工作。

2．FPGA芯片朝高性能、高密度、低压和低功耗方向发展

随着芯片生产工艺不断提高，FPGA芯片的性能和密度都在不断提高。早期的FPGA主要是完成接口逻辑设计，比如AD/DA和DSP的黏合逻辑。现在的FPGA正在成为电路的核心部件，完成关键功能。在高性能计算和高吞吐量I/O应用方面，FPGA已经取代了专用的DSP芯片，成为最佳的实现方案。因此，高性能和高密度也成为衡量FPGA芯片厂家设计能力的重要指标。随着FPGA性能和密度的提高，功耗也逐渐成为了FPGA应用的瓶颈。虽然FPGA比DSP等处理器的功耗低，但是要明显高于专用芯片（ASIC）。FPGA的厂家也在采用各种新工艺和技术来降低FPGA的功耗，并且已经取得了明显效果。例如，Xilinx公司的Virtex-7 FPGA产品与Virtex-6器件相比，系统性能提高一倍，功耗降低一半。

3．基于IP库的设计方法

未来的FPGA芯片密度不断提高，传统的基于HDL的代码设计方法很难满足超大规模FPGA的设计需要。随着专业的IP库设计公司不断增多，商业化的IP库种类会越来越全面，支持的FPGA器件也会越来越广泛。作为FPGA的设计者，主要的工作是找到适合项目需要的IP库资源，然后将这些IP整合起来，完成顶层模块设计。由于商业的IP库都是经过验证的，因此整个项目的仿真和验证工作主要就集中在验证IP库的接口逻辑设计的正确性方面。

目前，由于国内知识产权保护相关法律法规还不尽完善，基于IP库的设计方法还没有得到广泛应用。但是随着FPGA密度不断提高和IP库的价格逐渐趋于合理化，这种设计方法将会成为FPGA设计技术的主流。

4．FPGA的动态可重构技术

FPGA动态重构技术主要是指，对于特定结构的FPGA芯片，在一定的控制逻辑的驱动下，对芯片的全部或部分逻辑资源实现高速的功能变换，从而实现硬件的时分复用，节省逻辑资源。由于密度不断提高，FPGA能实现的功能也越来越复杂。FPGA全部逻辑配置一次需要的时间变长了，降低了系统的实时性。局部逻辑的配置功能可以实现“按需动态重构”，大大提高了配置的效率。动态可重构的FPGA可以在系统运行中对电路功能进行动态配置，实现硬件的时分复用，节省了资源，主要适用于以下两个系统设计：

FPGA的动态重构特性可以适应不同体制和不同标准的通信要求，满足软件无线电技术的发展和第四代（4G）移动通信系统的需要。

FPGA具有并行处理能力和动态配置能力，可自动改变硬件适应正在运行的程序，产生了基于这种软硬件环境的全新概念的计算机。