白话微机：8.解释FPGA以及一些考研面试问题

 一. 前言（更新世界观）

        在“微机世界”，普通的城市(单片机)里，人又有一个别的名字叫做“数据”，人有0有1；人们也有住房，这些住房在这个世界叫做“存储器”；地上有路，这些路叫做“数据总线”,交通系统则统称为总线；这里也有行政部门，比如公安局之类的，又有个名字叫“寄存器”；有中央政府，政府又叫做“中央处理器(CPU)”，这里也会发生的一些自然灾害(内部中断)和人为活动(外部中断)， I/O接口是城市(单片机)的城门和检查站，串行接口是连接城市与乡村的小路。

        随着科学技术的进步，诞生了一种现代化城市诞生：RTOS(实时多任务操作系统)，它有一个高效的城市管理系统:一整套完善的任务管理、调度和资源管理机制，能够同时处理多个任务，并根据任务的优先级和需求进行合理的调度和分配资源。除此以外，还诞生了一种专门的高科技工业园区——DSP（数字信号处理器），这个园区专注于处理和改造一种特殊的资源——“信号”。这个工业园区配置有高效的专用机械，能够快速、精确地处理来自各地（输入设备）的原始信号材料，这些原始信号就是未经加工的天然资源，比如矿石或原油，它们需经过这个园区内的精炼和加工，才能转化为有用的材料或产品。

        而本篇文章介绍的是在科技更加发达的时代，诞生的一座可变式城市——FPGA(现场可编程门阵列)，在这座城市里，所有设施都是由许多可变换形态的机器人组成的，在同一块土地上这些“变形金刚”能够接受特定的设计蓝图（配置文件），然后自己重组内部结构（逻辑门和布线），从而组成住宅区、商业区、工业区等不同功能的区域，并且随意更改。有一点抽象，三种城市概念图对比如下所示。

 二. FPGA（可变式城市）

        [1]FPGA/CPLD有什么特点?各包含几个基本组成部分?二者在存储逻辑信息方面有什么区别?在实际使用中什么时候选用FPGA?什么时候选用CPLD?

        (1)结构上：

        FPGA（现场可编程门阵列）是一座灵活且功能强大的可变式城市，用于大规模、复杂的逻辑设计，因为其内部有大量的可编程逻辑单元和连线，能够实现复杂的功能和高性能由三个基本组成部分构成：

1. 可编程逻辑单元（PLU）：这些相当于小型、灵活的“变形金刚”式住宅，(组成单元小，可以组成更复杂的建筑，类似于搭积木中的每一块积木很小)可以根据居民（数据和逻辑功能）的需求进行重建和配置。
2. 可编程输入/输出单元（I/O）：即城门(同普通的单片机)，是城市与外界交流的门户，可以根据外部的路径和需求进行调整。
3. 可编程连线：这些是城市内部的道路，可以根据交通流量的变化进行重新布线，以确保数据流动的高效和灵活。

        CPLD（复杂可编程逻辑设备）则是相对简单的城市区域，也有三个基本组成部分，通常用于简单或中等复杂度的逻辑设计，生产量不大的项目。因为其结构较为简单，编程较为方便，通常拥有较快的固定传输延迟(搭积木搭得快)：

1. 可编程逻辑宏单元（PLM）：是预置的大型“变形金刚”，(组成单元大，可操作性较小，类似于搭积木中的每一块积木很小)，可以进行一定程度的自定义和编程。
2. 可编程输入/输出单元（I/O）：同上。
3. 可编程连线：同上

        (2)存储信息上:

• FPGA城市的机器人数量多、体积小、密度大(有更高的密度和更多的逻辑单元),所以可以搭建的房屋数量也多(可以存储更多的逻辑信息)，掉电后会丢失配置信息，因此需要在上电时从外部存储器（如ROM）重新加载配置。
• CPLD城市的机器人数量小、体积大、密度小,所以可以搭建的房屋数量也少且结构简单,但搭得快(存储的逻辑信息较少，但其结构简单，通常掉电后依然保留配置信息，这使得它们在上电时启动更快)。

        (3)实际使用中：

• 选择FPGA通常是因为需要高度灵活性和处理复杂逻辑功能的能力，或者项目的设计经常更改。
• 选择CPLD更适合于较小规模、逻辑简单、启动速度要求快、生产批量不大的应用场景。

    [2]ASIC与FPGA在概念上有什么区别?

       (1)ASIC城市可以理解为早期发展的FPGA城市，城市里也有许多可变化的“变形金刚”式的住房，但是这里的机器人只听一次命令，即城市在建造之初规划的住房功能和结构，一旦建成，道路、建筑和设施就固定下来，无法更改。

       (2)FPGA城市里的机器人(可编程逻辑单元)可以按照特定需求配置和编程随时更改。

    [3]在FPGA和CPLD的应用开发中应该考虑哪些因素？

1. 器件的逻辑资源量的选择： 即选择一个城市建设用地的面积，你需要确保城市（器件）有足够的土地（逻辑资源）来建造所有必要的建筑（实现所需的逻辑功能）。如果逻辑复杂，你就需要更多的土地（FPGA），而对于简单的功能，一个小型的地块（CPLD）就足够了。

2. 芯片速度的选择： 即规划城市的交通系统。一个现代化的大都市（高速FPGA）需要快速的公路和交通网络来保证数据流动和处理速度，而小城镇（低速CPLD）的道路就不需要那么发达，因为交通（数据流）不那么繁忙。

3. 器件功耗的选择： 在确定一个城市的电力需求时，一个大都市（高功耗FPGA）会需要一个大型的电站，而小城镇（低功耗CPLD）则可能只需要一个小型发电机。功耗直接影响着运营成本和能源效率，这在电子产品设计中尤为关键。

4. FPGA/CPLD的选择（看开发项目本身的需要）： 根据项目需求，就像规划城市一样，如果需要快速建设和灵活性（FPGA），或者是预算有限并且对性能要求相对较低（CPLD），选择合适的器件就如同选择建设一个大都市或小镇。

5. FPGA和CPLD封装的选择： 即建筑设计中选择正确的建筑材料和风格，封装决定了器件在物理空间中的占用和与其他器件的互连方式。其中包括封装的大小、引脚数以及热管理等因素。

6. 其它因素的选择（各家公司产品各不相同）： 即选择建筑承包商，不同的产品供应商可能会提供不同的服务和产品特性。这包括技术支持、成本、交付时间、器件的性能和易用性等。你会选择最适合你的城市（项目）需求的合作者。

    [4]现代EDA技术的特点有哪些？

        现代EDA（电子设计自动化）技术是一种高效的城市规划和管理工具，它帮助城市（电子系统）规划者和管理者（设计工程师）创建、测试、优化并实现复杂的城市结构（电路设计）。主要有以下四个特点:

1. 采用硬件描述语言(HDL) 进行设计： 即城市规划师使用特定的蓝图语言来详细描绘建筑设计，硬件描述语言（HDL）允许工程师以文本形式描述电子系统的硬件功能和结构，从而指导“变形金刚”（FPGA等可编程硬件）如何根据这些描述改变它们的结构。HDL使得设计可以在高层次进行抽象，而不是仅仅在物理层面上操作。

2. 逻辑综合与优化： 即将城市蓝图转化为实际的建筑物，并进行优化以确保效率和成本效益，逻辑综合工具将HDL描述转化为可以在实体硬件上实现的逻辑网表。这包括选择最适合的逻辑元件、布局和连接方式，以确保电路在速度、资源使用和功耗方面是优化的。

3. 开放性和标准化： 建筑标准和城市规划准则确保不同建筑师设计的结构能够和谐共存，EDA工具的开放性和标准化确保了不同设计师和团队可以共享、理解和重用彼此的设计。标准化的设计和模块化方法促进了更广泛的协作和兼容性，同时也加速了创新。

4. 更完备的库(Library)： 一个城市拥有各种公共设施和服务库，以便居民和建筑师可以利用，EDA工具提供了一个丰富的组件库。这些库包含了许多预先设计和优化的模块，如标准的逻辑门、寄存器、存储器元素等，设计师可以调用这些模块来快速构建复杂的系统，而不需要从头开始设计每个部分。