1. FPGA 是什么
1.1 FPGA 的基本概念
FPGA 的全称是 Field Programmable Gate Array，翻译过来就是'现场可编程门阵列'。
这个名字听起来有点拗口，但其实很好理解。
我们可以把 FPGA 想象成一块'电子积木'，可以根据自己的需求，把这些积木搭建成不同的电路结构。
与我们常用的单片机（如 STM32）不同，单片机是通过软件编程来实现功能的，而 FPGA 是通过硬件配置来实现功能的。
简单来说，单片机是'软件定义功能'，而 FPGA 是'硬件定义功能'。
这就好比单片机是一个多面手，可以通过不同的程序来完成不同的任务；而 FPGA 则是一个变形金刚，可以直接变成不同的硬件电路。
1.2 FPGA 与其他器件的对比
在数字电路设计领域，除了 FPGA，还有 ASIC（专用集成电路）、CPLD（复杂可编程逻辑器件）等选择。
ASIC 的性能最好、功耗最低，但开发成本极高，而且一旦流片就无法修改。
CPLD 相对简单，适合小规模的逻辑设计。
而 FPGA 则处于两者之间，既有较高的灵活性，又能提供不错的性能。
举个实际的例子，在汽车电子项目中，需要实现一个复杂的 CAN 总线协议转换功能。
如果用 STM32 来做，虽然可以实现，但实时性可能无法保证；如果设计专用 ASIC，成本太高且开发周期太长。
最后选择了 FPGA 方案，既保证了实时性，又能在后期根据需求灵活调整。
2. FPGA 的内部结构原理
2.1 可编程逻辑单元 (CLB)
FPGA 的核心是由大量的可编程逻辑单元 (CLB, Configurable Logic Block) 组成的。
每个 CLB 就像一个小型的逻辑电路模块，包含查找表 (LUT, Look-Up Table)、触发器 (FF) 和多路选择器等基本元件。
查找表 LUT 是 FPGA 最基本的逻辑单元，它本质上是一个小型的存储器。
比如一个 4 输入的 LUT，就是一个有 16 个存储单元的小 RAM，可以实现任意 4 输入的逻辑函数。
当你写 Verilog 或 VHDL 代码时，综合工具会把你的逻辑表达式转换成 LUT 的配置数据。
举个简单的例子，假设我们要实现一个 2 输入的与门：
module and_gate(
input wire a,
input wire b,
output wire y
);
assign y = a & b;
endmodule
这个简单的与门逻辑，在 FPGA 中就会被映射到一个 LUT 中。
LUT 内部会存储真值表：当输入为 00、01、10 时输出 0，当输入为 11 时输出 1。
2.2 可编程互连资源
如果说 CLB 是 FPGA 的'神经元'，那么可编程互连资源就是连接这些神经元的'神经网络'。
FPGA 内部有大量的布线资源，包括局部互连线、全局互连线和长线等。
这些互连线通过可编程开关矩阵连接，可以根据需要建立不同 CLB 之间的连接关系。
这就好比你在设计 PCB 时需要走线连接不同的芯片，只不过 FPGA 是在芯片内部通过可编程的方式来'走线'。
这种灵活的互连能力，使得 FPGA 可以实现各种复杂的电路结构。
2.3 输入输出模块 (IOB)
FPGA 的外围是输入输出模块 (IOB, Input/Output Block)，负责与外部电路进行信号交互。
现代 FPGA 的 IOB 功能非常强大，不仅支持多种电平标准（如 LVTTL、LVCMOS、LVDS 等），还支持可编程的驱动强度、上拉下拉电阻、输入延迟等特性。
在实际应用中，IOB 的配置非常重要。
比如在高速数据采集项目中，需要配置 IOB 为 LVDS 标准，以支持高速差分信号传输：
module lvds_interface(
input wire lvds_p, // LVDS 正端
input wire lvds_n, // LVDS 负端
output wire data_out
);
// FPGA 会自动将差分信号转换为单端信号
assign data_out = lvds_p;
endmodule
2.4 专用硬件资源
除了通用的 CLB 和互连资源，现代 FPGA 还集成了很多专用硬件资源，比如块 RAM (BRAM)、DSP 切片、时钟管理单元 (CMT)、高速串行收发器 (GTX/GTH) 等。
