FPGA是什么

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）技術(shù)不斷呈現(xiàn)增長(zhǎng)勢(shì)頭。 1984年Xilinx剛剛創(chuàng)造出FPGA時(shí)，它還是簡(jiǎn)單的膠合邏輯芯片，而如今在信號(hào)處理和控制應(yīng)用中，它已經(jīng)取代了自定制專用集成電路（ASIC）和處理器。 這項(xiàng)技術(shù)的成功之處到底在哪里？ 本文將主要介紹FPGA，并著重描述FPGA的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

1. 什么是FPGA？

在最高層面上，F(xiàn)PGA是可重新編程的硅芯片。 使用預(yù)建的邏輯塊和可重新編程布線資源，用戶無(wú)需再使用電路試驗(yàn)板或烙鐵,就能配置這些芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)自定義硬件功能。 用戶在軟件中開(kāi)發(fā)數(shù)字計(jì)算任務(wù)，并將它們編譯成配置文件或比特流，其中包含元器件相互連接的信息。此外，F(xiàn)PGA可完全可重配置，當(dāng)用戶在重新編譯不同的電路配置時(shí)，能夠當(dāng)即呈現(xiàn)全新的特性。 過(guò)去，只有熟知數(shù)字硬件設(shè)計(jì)的工程師懂得使用FPGA技術(shù)。 然而，高層次設(shè)計(jì)工具的興起正在改變FPGA編程的方式，其中的新興技術(shù)能夠?qū)D形化程序框圖、甚至是C代碼轉(zhuǎn)換成數(shù)字硬件電路。

各行各業(yè)紛紛采用FPGA芯片是源于FPGA融合了ASIC和基于處理器的系統(tǒng)的最大優(yōu)勢(shì)。 FPGA能夠提供硬件定時(shí)的速度和穩(wěn)定性,且無(wú)需類似自定制ASIC設(shè)計(jì)的巨額前期費(fèi)用的大規(guī)模投入。 可重新編程的硅芯片的靈活性與在基于處理器的系統(tǒng)上運(yùn)行的軟件相當(dāng)，但它并不受可用處理器內(nèi)核數(shù)量的限制。與處理器不同的是，F(xiàn)PGA屬于真正的并行實(shí)行，因此不同的處理操作無(wú)需競(jìng)爭(zhēng)相同的資源。 每個(gè)獨(dú)立的處理任務(wù)都配有專用的芯片部分，能在不受其它邏輯塊的影響下自主運(yùn)作。因此，添加更多處理任務(wù)時(shí)，其它應(yīng)用性能也不會(huì)受到影響。

2. FPGA技術(shù)的五大優(yōu)勢(shì)

性能、上市時(shí)間、成本、穩(wěn)定性、長(zhǎng)期維護(hù)

性能—利用硬件并行的優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)PGA打破了順序執(zhí)行的模式，在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成更多的處理任務(wù)，超越了數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）的運(yùn)算能力。 著名的分析與基準(zhǔn)測(cè)試公司BDTI，發(fā)布基準(zhǔn)表明在某些應(yīng)用方面，F(xiàn)PGA每美元的處理能力是DSP解決方案的多倍。2在硬件層面控制輸入和輸出（I/ O）為滿足應(yīng)用需求提供了更快速的響應(yīng)時(shí)間和專業(yè)化的功能。

上市時(shí)間—盡管上市的限制條件越來(lái)越多，F(xiàn)PGA技術(shù)仍提供了靈活性和快速原型的能力。 用戶可以測(cè)試一個(gè)想法或概念，并在硬件中完成驗(yàn)證，而無(wú)需經(jīng)過(guò)自定制ASIC設(shè)計(jì)漫長(zhǎng)的制造過(guò)程。3由此用戶就可在數(shù)小時(shí)內(nèi)完成逐步的修改并進(jìn)行FPGA設(shè)計(jì)迭代，省去了幾周的時(shí)間。 商用現(xiàn)成（COTS）硬件可提供連接至用戶可編程FPGA芯片的不同類型的I/O。 高層次的軟件工具的日益普及降低了學(xué)習(xí)曲線與抽象層，并經(jīng)常提供有用的IP核（預(yù)置功能）來(lái)實(shí)現(xiàn)高級(jí)控制與信號(hào)處理。

成本—自定制ASIC設(shè)計(jì)的非經(jīng)常性工程（NRE）費(fèi)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)基于FPGA的硬件解決方案所產(chǎn)生的費(fèi)用。 ASIC設(shè)計(jì)初期的巨大投資表明了原始設(shè)備制造商每年需要運(yùn)輸數(shù)千種芯片，但更多的最終用戶需要的是自定義硬件功能，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)十至數(shù)百種系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。可編程芯片的特性意味著用戶可以節(jié)省制造成本以及漫長(zhǎng)的交貨組裝時(shí)間。 系統(tǒng)的需求時(shí)時(shí)都會(huì)發(fā)生改變，但改變FPGA設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的成本相對(duì)ASCI的巨額費(fèi)用來(lái)說(shuō)是微不足道的。

穩(wěn)定性—軟件工具提供了編程環(huán)境，F(xiàn)PGA電路是真正的編程“硬”執(zhí)行過(guò)程。 基于處理器的系統(tǒng)往往包含了多個(gè)抽象層，可在多個(gè)進(jìn)程之間計(jì)劃任務(wù)、共享資源。 驅(qū)動(dòng)層控制著硬件資源，而操作系統(tǒng)管理內(nèi)存和處理器的帶寬。對(duì)于任何給定的處理器內(nèi)核，一次只能執(zhí)行一個(gè)指令，且基于處理器的系統(tǒng)時(shí)刻面臨著嚴(yán)格限時(shí)的任務(wù)相互取占的風(fēng)險(xiǎn)。 而FPGA不使用操作系統(tǒng)，擁有真正的并行執(zhí)行和專注于每一項(xiàng)任務(wù)的確定性硬件，可減少穩(wěn)定性方面出現(xiàn)問(wèn)題的可能。

長(zhǎng)期維護(hù)—正如上文所提到的， FPGA芯片是現(xiàn)場(chǎng)可升級(jí)的，無(wú)需重新設(shè)計(jì)ASIC所涉及的時(shí)間與費(fèi)用投入。 舉例來(lái)說(shuō)，數(shù)字通信協(xié)議包含了可隨時(shí)間改變的規(guī)范，而基于ASIC的接口可能會(huì)造成維護(hù)和向前兼容方面的困難?？芍匦屡渲玫腇PGA芯片能夠適應(yīng)未來(lái)需要作出的修改。 隨著產(chǎn)品或系統(tǒng)成熟起來(lái)，用戶無(wú)需花費(fèi)時(shí)間重新設(shè)計(jì)硬件或修改電路板布局就能增強(qiáng)功能。

3. 總結(jié)

較高級(jí)別的工具不斷改進(jìn)，為各個(gè)專業(yè)水平的工程師和科學(xué)家?guī)?lái)可重新編程的硅芯片，F(xiàn)PGA技術(shù)的采用也越來(lái)越為廣泛。