FPGA编程和配置是一回事吗？两者核心区别在哪？

现场可编程门阵列（FPGA）作为一种高性能、高灵活性的半导体器件，其核心价值在于用户能够根据特定需求定义其内部硬件逻辑，这一过程通常被概括为“编程与配置”，但二者在概念和操作上存在本质区别，理解这一流程是掌握FPGA应用开发的关键。

FPGA“编程”的本质：硬件描述与逻辑构建

FPGA的“编程”并非编写传统意义上的指令序列（如C++或Python），而是使用硬件描述语言（HDL），如Verilog或VHDL，来描述一个数字电路的行为和结构，这是一种从抽象到具体的设计过程。

1. 设计输入：工程师使用HDL代码编写逻辑功能，定义寄存器、状态机、算术单元以及它们之间的连接关系。
2. 综合：EDA（电子设计自动化）工具将HDL代码翻译成由逻辑门（如与门、或门、非门）和触发器等基本逻辑单元构成的网表，这个过程类似于高级语言编译，但目标是硬件结构而非机器指令。
3. 实现：工具将网表映射到FPGA内部具体的物理资源上，包括查找表（LUT）、可配置逻辑块（CLB）、布线资源等，此阶段包含布局与布线，确定每个逻辑单元在芯片上的位置以及如何连接它们，以优化时序和资源利用率。
4. 生成配置文件：EDA工具生成一个二进制的比特流文件（如.bit或.sof文件），这个文件包含了配置FPGA内部所有SRAM单元的精确数据，是“编程”阶段的最终产物。

FPGA编程的本质是设计一个定制的硬件电路,而比特流文件就是这个电路的“蓝图”。

FPGA“配置”的过程：从比特流到硬件功能

FPGA的“配置”则是将上述生成的比特流文件加载到FPGA芯片内部存储器的过程，由于绝大多数FPGA基于SRAM技术来实现其可配置性，这些配置数据是易失性的——断电后即会丢失，每次FPGA上电时，都必须重新进行配置，才能恢复其预设的硬件功能。

配置过程通过特定的接口完成,外部控制器（如专用的Flash存储器、微控制器或PC）将比特流数据按协议时序写入FPGA的配置引脚，FPGA内部的配置控制器接收数据，并逐位地改写内部逻辑单元和互连资源的配置SRAM，从而将芯片“塑造”成设计者所期望的数字电路。

主流配置方式详解

不同的应用场景和系统架构催生了多种FPGA配置模式,下表对几种主流方式进行了比较：

编程与配置的紧密联系

编程与配置是FPGA开发流程中两个紧密相连、缺一不可的环节。编程是“设计”阶段，其产出是描述硬件逻辑的比特流蓝图；配置是“实现”阶段，是将此蓝图物化为实际硬件功能的过程。 没有成功的编程，配置就无从谈起；没有正确的配置，再优秀的设计也无法在FPGA上运行。

相关问答 (FAQs)

问题1：FPGA编程与传统软件编程（如C语言）有何根本区别？

解答： 根本区别在于“并行”与“串行”的执行模型，C语言等软件编程描述的是一系列按时间顺序执行的指令，由CPU的内核逐一处理，而FPGA编程（使用HDL）描述的是硬件电路的结构和行为，电路中所有部分（只要逻辑上允许）都是并行、同时工作的，HDL代码最终被综合成真实的逻辑门和连线，而不是CPU指令，FPGA编程思维是空间并行的硬件思维，而非时间串行的指令思维。

问题2：为什么大多数FPGA每次上电都需要重新配置？

解答： 这是因为主流FPGA（如Xilinx的Kintex、Artix系列或Intel的Cyclone、Stratix系列）采用SRAM（静态随机存取存储器）技术来存储其配置信息，SRAM的优点是速度快、可无限次重配置，但它是易失性存储器，一旦芯片断电，其中存储的所有数据（包括决定其逻辑功能的配置数据）都会立即丢失，为了在断电后恢复功能，必须将存储在外部非易失性存储器（如Flash芯片）中的比特流文件重新加载到FPGA的SRAM中，这个过程就是配置，也有少数基于Flash技术的FPGA，上电后无需重新配置，但它们在性能和密度上通常不如SRAM型FPGA。