FPGA 设计需要硬件描述语言 (HDL)。HDL 与 C 完全不同。C 程序是一系列顺序指令，必须扭曲自身才能实现并行执行，而 HDL 描述并发电路，必须扭曲自身才能实现顺序执行。这是一个非常不同的世界，如果您尝试在 FPGA 中构建电路，同时像软件开发人员一样思考，那将会受到伤害。

MCU 是有时间限制的。为了完成更多的工作，您需要更多的处理器周期。时钟对其频率有非常实际的限制，因此很容易撞到计算墙。但是，FPGA 是空间有限的。为了完成更多的工作，您只需添加更多的电路。如果你的 FPGA 不够大，你可以买一个更大的。构建一个无法容纳在最大 FPGA 中的电路非常困难，即使您这样做了，也有描述如何将 FPGA 菊花链在一起的应用说明。

FPGA 更多地关注并行执行。有时您必须担心 MCU 的 ISR 需要多长时间来处理中断，以及您是否能够达到硬实时限制。然而，在 FPGA 中，有很多有限状态机 (FSM) 一直在运行。它们就像“毫微微控制器”，就像控制逻辑的小云。它们都同时运行，所以不用担心错过中断。您可能有一个 FSM 与 ADC 接口，另一个 FSM 与微控制器的地址/数据总线接口，另一个 FSM 将数据流式传输到立体声编解码器，还有另一个 FSM 将数据流从 ADC 缓冲到编解码器......你需要使用模拟器来确保所有 FSM 都能和谐地唱歌。

FPGA 是 PCB 布局设计师的梦想。它们非常可配置。您可以拥有许多不同的逻辑接口（LVTTL、LVCMOS、LVDS 等），它们具有不同的电压甚至驱动强度（因此您不需要串联终端电阻）。引脚可互换；你见过管脚分散在芯片周围的 MCU 地址总线吗？您的 PCB 设计人员可能不得不放弃一堆过孔，才能将所有信号正确连接在一起。使用 FPGA，PCB 设计人员可以以几乎任何方便的顺序将信号运行到芯片中，然后可以将设计回注到 FPGA 工具链中。

FPGA 也有很多漂亮、精美的玩具。我的最爱之一是赛灵思芯片中的数字时钟管理器。你给它一个时钟信号，它可以使用各种各样的倍频器和分频器从中得到四个，所有这些都具有原始的 50% 占空比和 100% 相位......它甚至可以解释时钟偏差来自芯片外部的传播延迟！

编辑（回复附录）：

您可以将“软核”放入 FPGA。您实际上是将微控制器电路连接在一起，或者更确切地说，您可能会将其他人的电路放入您的设计中，例如 Xilinx 的 PicoBlaze 或 MicroBlaze 或 Altera 的 Nios。但就像 C->VHDL 编译器一样，与使用 FSM 和数据路径或实际的微控制器相比，这些内核往往有点臃肿和缓慢。开发工具还可以显着增加设计过程的复杂性，当 FPGA 已经是极其复杂的芯片时，这可能是一件坏事。

还有一些 FPGA 嵌入了“硬核”，例如 Xilinx 的 Virtex4 系列，它有一个真正的、专用的 IBM PowerPC，周围有 FPGA 结构。

EDIT2（回复评论）：

我想我现在明白了……您问的是如何将分立的 MCU 连接到 FPGA；即两个独立的芯片。这样做有充分的理由；具有硬核的 FPGA 和大到足以支持体面的软核的 FPGA 通常是具有数百个引脚的怪物，最终需要 BGA 封装，这很容易将设计 PCB 的难度增加 10 倍。

不过，C 语言要容易得多，因此 MCU 肯定在与 FPGA 协同工作时占有一席之地。由于编写 C 更容易，您可以在 MCU 中编写“大脑”或中央算法，而 FPGA 可以实现可能需要加速的子算法。尝试将更改的内容放入 C 代码中，因为它更容易更改，并且让 FPGA 成为更专用的类型，不会经常更改。

MCU 设计工具也更易于使用。设计工具构建 FPGA 位文件需要几分钟，即使对于一些简单的设计，但复杂的 MCU 程序通常需要几秒钟。MCU 出错的可能性要小得多，因此它们也更容易调试……我不能低估 FPGA 的复杂程度。您确实需要获取您所拥有的数据表，并且您应该尝试阅读它的每一页。我知道，它有几百页......无论如何都要这样做。

连接它们的最佳方式是使用具有外部地址和数据总线的 MCU。然后，您可以简单地将 FPGA 电路内存映射到 MCU 中，并添加您自己的“寄存器”，每个寄存器都有自己的地址。现在 FPGA 可以添加自定义外设，例如 32 位定时器，它可以在读取第一个字节时立即锁存所有 4 个字节，以防止 8 位读取之间的溢出。您还可以将其用作粘合逻辑，以从其他芯片（例如单独的 ADC）中映射更多外设。

最后，一些 MCU 设计用于与 FPGA 等“外部主机”一起使用。赛普拉斯制造了一些内置 8051 的 USB MCU，但其目的是让 USB 数据由例如 FPGA 产生/使用。

“现实世界中的例子……将 FPGA 与微控制器相结合？”

原则上，一个足够大的 FPGA 可以做任何 FPGA 加微控制器可以做的事情——也许通过在 FPGA 内部实现一个软 CPU。在实践中，与单独使用 FPGA（或单独使用 MCU）相比，与单独使用 FPGA（或单独使用 MCU）相比，使用 FPGA 和单独的微控制器实施时，给定的性能水平通常具有更低的部件成本和更低的功耗。以下是一些比较著名的设备，板载 FPGA 和微控制器：

• Elphel相机；Elphel Project Wiki有一个 Xilinx (R) Spartan 3e 1200K 门 FPGA 和一个运行 GNU/Linux 的 ETRAX FS 处理器。
• TS-7500有一个 5000 LUT Lattice FPGA 和一个可以运行 Linux 的 250MHz Cavium ARM9 CPU 。
• Balloon 板具有Xilinx Spartan FPGA 和 ARM CPU
• 几个很小的​​Linux SBC包括一个 FPGA 和一个 CPU
• Armadeus项目 wiki记录了一些带有 Xilinx Spartan-3 FPGA 和 400 MHz ARM9 CPU 的电路板。
• Blackfin Handy Board包括Xilinx Spartan 3e FPGA 和 600 MHz Analog Devices Blackfin® ADSP-BF537 处理器。（它没有 MMU，所以它不能运行完整的 Linux，但它可以运行 uClinux）。
• “ Minimig” (mini Amiga)包括一个 Xilinx Spartan-3 FPGA、一个 M68000 CPU 和一个小型 PIC MCU 作为代理磁盘控制器。

FPGA 通常专门用于完成微控制器无法高效完成的任务，例如高度并行或低延迟操作、在多个时钟域中操作或以硬件速度执行自定义逻辑。因此，他们将承担繁重的工作，并且您很少需要 MCU 成为设计的核心——它们可能会被移至管理位置，例如加载配置比特流。Minimig中的 PIC 或 ARM 就是一个例子，它实现了存储接口。

然而，一些产品模糊了界限。一些例子：

1. 较大的 FPGA 往往内置硬核 CPU（较大的项目通常需要它们），就像它们有 RAM 和乘法器块一样
2. 一些微控制器针对并行操作（XMOS XS1、Atmel Xmega、GreenArray、Parallax Propeller）
3. 一些芯片设计为混合芯片（Cypress PSoC、Atmel FPSLIC）

来自命令式编程背景，这是对硬件设计的相当大的调整，因为您需要获得 FPGA 的优势。但是，您会发现这种体验在其他地方也很有用。

像 AVR 这样的 MCU 和编程到 FPGA 中的 MCU 之间并没有真正的区别。OpenCores 站点有可用于 FPGA的 AVR 的 VHDL 代码。您可以研究它，看看它是如何工作的，甚至可以在模拟器中自己尝试，而无需购买合适的 FPGA 板。