簡(jiǎn)述FPGA技術(shù)的五大優(yōu)勢(shì)

FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。那么這項(xiàng)技術(shù)的獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)在哪里？下面我們就來(lái)介紹FPGA，一起了解FPGA的優(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?？芍匦戮幊痰墓栊酒撵`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工作原理

FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。

3、FPGA的基本特點(diǎn)

1）采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路(特定用途集成電路)，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。

2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。

3）FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I／O引腳。

4）FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開(kāi)發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。

5) FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。

可以說(shuō)，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。

FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。

加電時(shí)，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無(wú)須專用的FPGA編程器，只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時(shí)，只需換一片EPROM即可。這樣，同一片F(xiàn)PGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此，F(xiàn)PGA的使用非常靈活。

4、FPGA技術(shù)的五大優(yōu)勢(shì)

1）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。

2）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。

3）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)?？删幊绦酒奶匦砸馕吨脩艨梢怨?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。

4）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?；谔幚砥鞯南到y(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。

5）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。

5、FPGA的應(yīng)用

微處理器是為通用而設(shè)計(jì)的，必須按照時(shí)鐘的節(jié)拍，逐條取指、譯指、執(zhí)行，大多用于低速、實(shí)時(shí)性要求不高的場(chǎng)合，例如石油探測(cè)；FPGA 應(yīng)用場(chǎng)合相當(dāng)多，特別是在高速的、實(shí)時(shí)性強(qiáng)并對(duì)時(shí)間要求相當(dāng)苛刻的場(chǎng)合，有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，例如無(wú)線通信、雷達(dá)探測(cè)等；是FPGA的一些典型應(yīng)用：

典型應(yīng)用一：接口邏輯控制--提供前所未有的靈活性

1）PCI、PCI Express、PS/2、USB等接口控制器

2）SDRAM、DDR、SDRAM、QDR、SRAM、NAND flash、NOR Flash等接口控制器

3）電平轉(zhuǎn)換，LVDS、TTL、COMS、SSTL等

典型應(yīng)用二：高速的數(shù)字信號(hào)處理--提供前所未有的計(jì)算能力

1）無(wú)線通信領(lǐng)域，如軟件無(wú)線電（SDR）；

2）視頻圖像處理領(lǐng)域，如高清晰數(shù)字電視（HDTV）；

3）軍事和航空航天領(lǐng)域，如雷達(dá)聲納、安全通信。

其他應(yīng)用領(lǐng)域

1）汽車，如網(wǎng)關(guān)控制器、車用PC、遠(yuǎn)程信息處理系統(tǒng)等；

2）消費(fèi)產(chǎn)品，如顯示器/投影儀、數(shù)字電視和機(jī)頂盒、家庭網(wǎng)絡(luò)等；

3）醫(yī)療，如電療、血液分析儀、醫(yī)療檢測(cè)設(shè)備等

4）通信設(shè)備 ，如蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施、寬帶無(wú)線通信、軟件無(wú)線電等

5）測(cè)試與測(cè)量，如通信測(cè)試與監(jiān)測(cè)、半導(dǎo)體、自動(dòng)測(cè)試設(shè)備、通用儀表等。

FPGA技術(shù)的采用也越來(lái)越為廣泛，不管你是一名邏輯設(shè)計(jì)師、硬件工程師或系統(tǒng)工程師，甚或擁有所有這些頭銜，只要你在任何一種高速和多協(xié)議的復(fù)雜系統(tǒng)中使用了FPGA，你就很可能需要努力解決好器件配置、電源管理、IP集成、信號(hào)完整性和其他的一些關(guān)鍵設(shè)計(jì)問(wèn)題，那就要認(rèn)真了解FPGA技術(shù)啦！