單片機可以理解為集成在單一芯片上的微型計算機系統(tǒng)，麻雀雖小可是五臟俱全，也有運算器、控制器、存儲器、總線及輸入輸出設(shè)備，采用也是存儲程序執(zhí)行的方式，對單片機的編程就是對其中的ROM寫入程序，在加電后ROM中的程序會像計算機內(nèi)存中的程序一樣得到逐條的執(zhí)行。當今的單片機還集成了A/D、D/A轉(zhuǎn)換，并串口等多種與外界進行數(shù)據(jù)交換的手段。單片機計算速度和性能有限，但在一些基本控制上搓綽綽有余。

　　FPGA則是操控層次更低,所以自由度更大的芯片，對FPGA的編程在編譯后是轉(zhuǎn)化為FPGA內(nèi)的連線表，相當于FPGA內(nèi)提供了大量的與非門、或非門、觸發(fā)器（可以用與非門形成吧）等基本數(shù)字器件，編程決定了有多少器件被使用以及它們之間的連接。只要FPGA規(guī)模夠大，這些數(shù)字器件理論上能形成一切數(shù)字系統(tǒng)，包括單片機甚至CPU。FPGA在抗干擾，速度上有很大優(yōu)勢。

　　目前以硬件描述語言（Verilog 或 VHDL）所完成的電路設(shè)計，可以經(jīng)過簡單的綜合與布局，快速的燒錄至 FPGA 上進行測試，是現(xiàn)代 IC 設(shè)計驗證的技術(shù)主流。這些可編輯元件可以被用來實現(xiàn)一些基本的邏輯門電路（比如AND、OR、XOR、NOT）或者更復雜一些的組合功能比如解碼器或數(shù)學方程式。在大多數(shù)的FPGA里面，這些可編輯的元件里也包含記憶元件例如觸發(fā)器（Flip－flop）或者其他更加完整的記憶塊。 　　系統(tǒng)設(shè)計師可以根據(jù)需要通過可編輯的連接把FPGA內(nèi)部的邏輯塊連接起來，就好像一個電路試驗板被放在了一個芯片里。一個出廠后的成品FPGA的邏輯塊和連接可以按照設(shè)計者而改變，所以FPGA可以完成所需要的邏輯功能。 　　FPGA一般來說比ASIC（專用集成芯片）的速度要慢，無法完成復雜的設(shè)計，而且消耗更多的電能。但是他們也有很多的優(yōu)點比如可以快速成品，可以被修改來改正程序中的錯誤和更便宜的造價。廠商也可能會提供便宜的但是編輯能力差的FPGA。因為這些芯片有比較差的可編輯能力，所以這些設(shè)計的開發(fā)是在普通的FPGA上完成的，然后將設(shè)計轉(zhuǎn)移到一個類似于ASIC的芯片上。另外一種方法是用CPLD（復雜可編程邏輯器件備）。

　　CPLD與FPGA的關(guān)系

　　早在1980年代中期，F(xiàn)PGA已經(jīng)在PLD設(shè)備中扎根。CPLD和FPGA包括了一些相對大數(shù)量的可以編輯邏輯單元。CPLD邏輯門的密度在幾千到幾萬個邏輯單元之間，而FPGA通常是在幾萬到幾百萬。 　　CPLD和FPGA的主要區(qū)別是他們的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。CPLD是一個有點限制性的結(jié)構(gòu)。這個結(jié)構(gòu)由一個或者多個可編輯的結(jié)果之和的邏輯組列和一些相對少量的鎖定的寄存器。這樣的結(jié)果是缺乏編輯靈活性，但是卻有可以預計的延遲時間和邏輯單元對連接單元高比率的優(yōu)點。而FPGA卻是有很多的連接單元，這樣雖然讓它可以更加靈活的編輯，但是結(jié)構(gòu)卻復雜的多。 　　CPLD和FPGA另外一個區(qū)別是大多數(shù)的FPGA含有高層次的內(nèi)置模塊（比如加法器和乘法器）和內(nèi)置的記憶體。一個因此有關(guān)的重要區(qū)別是很多新的FPGA支持完全的或者部分的系統(tǒng)內(nèi)重新配置。允許他們的設(shè)計隨著系統(tǒng)升級或者動態(tài)重新配置而改變。一些FPGA可以讓設(shè)備的一部分重新編輯而其他部分繼續(xù)正常運行。

　　FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個部分。

　　1）采用FPGA設(shè)計ASIC電路(特定用途集成電路)，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。

　　2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。

　　3）FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I／O引腳。

　　4）FPGA是ASIC電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用、風險最小的器件之一。

　　5) FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。

　　可以說，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的選擇之一。

　　FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時需要對片內(nèi)的RAM進行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。

　　加電時，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當需要修改FPGA功能時，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。

　　FPGA有多種配置模式：并行主模式為一片F(xiàn)PGA加一片EPROM的方式；主從模式可以支持一片PROM編程多片F(xiàn)PGA；串行模式可以采用串行PROM編程FPGA；外設(shè)模式可以將FPGA作為微處理器的外設(shè)，由微處理器對其編程。

　　如何實現(xiàn)快速的時序收斂、降低功耗和成本、優(yōu)化時鐘管理并降低FPGA與PCB并行設(shè)計的復雜性等問題，一直是采用FPGA的系統(tǒng)設(shè)計工程師需要考慮的關(guān)鍵問題。如今，隨著FPGA向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向發(fā)展，系統(tǒng)設(shè)計工程師在從這些優(yōu)異性能獲益的同時，不得不面對由于FPGA前所未有的性能和能力水平而帶來的新的設(shè)計挑戰(zhàn)。

　　例如，F(xiàn)PGA廠商Xilinx最近推出的Virtex-5系列采用65nm工藝，可提供高達33萬個邏輯單元、1,200個I/O和大量硬IP塊。超大容量和密度使復雜的布線變得更加不可預測，由此帶來更嚴重的時序收斂問題。此外，針對不同應用而集成的更多數(shù)量的邏輯功能、DSP、嵌入式處理和接口模塊，也讓時鐘管理和電壓分配問題變得更加困難。

　　幸運地是，F(xiàn)PGA廠商、EDA工具供應商正在通力合作解決65nm FPGA獨特的設(shè)計挑戰(zhàn)。不久以前，Synplicity與Xilinx宣布成立超大容量時序收斂聯(lián)合工作小組，旨在地幫助系統(tǒng)設(shè)計工程師以更快、更高效的方式應用65nm FPGA器件。設(shè)計軟件供應商Magma推出的綜合工具Blast FPGA能幫助建立優(yōu)化的布局，加快時序的收斂。

　　最近FPGA的配置方式已經(jīng)多元化！

　　微處理器是為通用而設(shè)計的，必須按照時鐘的節(jié)拍，逐條取指、譯指、執(zhí)行，大多用于低速、實時性要求不高的場合，例如石油探測；FPGA 應用場合相當多，特別是在高速的、實時性強并對時間要求相當苛刻的場合，有很強的數(shù)據(jù)處理能力，例如無線通信、雷達探測等；是FPGA的一些典型應用：

　　典型應用一：接口邏輯控制——提供前所未有的靈活性

　　1、PCI、PCI Express、PS/2、USB等接口控制器

　　2、SDRAM、DDR、SDRAM、QDR、SRAM、NAND Flash、NOR Flash等接口控制器

　　3、電平轉(zhuǎn)換，LVDS、TTL、COMS、SSTL等

　　典型應用二：高速的數(shù)字信號處理——提供前所未有的計算能力

　　1、無線通信領(lǐng)域，如軟件無線電（SDR）；

　　2、視頻圖像處理領(lǐng)域，如高清晰數(shù)字電視（HDTV）；

　　3、軍事和航空航天領(lǐng)域，如雷達聲納、安全通信。

　　其他應用領(lǐng)域

　　1、汽車，如網(wǎng)關(guān)控制器、車用PC、遠程信息處理系統(tǒng)等；

　　2、消費產(chǎn)品，如顯示器/投影儀、數(shù)字電視和機頂盒、家庭網(wǎng)絡(luò)等；

　　3、醫(yī)療，如電療、血液分析儀、醫(yī)療檢測設(shè)備等

　　4、通信設(shè)備 ，如蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施、寬帶無線通信、軟件無線電等

　　5、測試與測量，如通信測試與監(jiān)測、半導體、自動測試設(shè)備、通用儀表等。

　　不管你是一名邏輯設(shè)計師、硬件工程師或系統(tǒng)工程師，甚或擁有所有這些頭銜，只要你在任何一種高速和多協(xié)議的復雜系統(tǒng)中使用了FPGA，你就很可能需要努力解決好器件配置、電源管理、IP集成、信號完整性和其他的一些關(guān)鍵設(shè)計問題。不過，你不必獨自面對這些挑戰(zhàn)，因為在當前業(yè)內(nèi)的FPGA公司里工作的應用工程師每天都會面對這些問題，而且他們已經(jīng)提出了一些將令你的設(shè)計工作變得更輕松的設(shè)計指導原則和解決方案。