FPGA和ASIC、DSP及ARM有什么不一樣，有哪些應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

1、ASIC、DSP 及 ARM 的特點(diǎn)

ASIC 是 Application Specific Integrated Circuit 的英文縮寫，是一種為專門目的而設(shè)計(jì)的集成電路。ASIC 設(shè)計(jì)主要有全定制（full-custom）設(shè)計(jì)方法和半定制（semi-custom）設(shè)計(jì)方法。半定制設(shè)計(jì)又可分為門陣列設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)單元設(shè)計(jì)、可編程邏輯設(shè)計(jì)等等。全定制方法是完全由設(shè)計(jì)師根據(jù)工藝，以盡可能高的速度和盡可能小的面積以及完全滿意的封裝、獨(dú)立地進(jìn)行芯片設(shè)計(jì)。這種方法雖然靈活性高，而且可以達(dá)到最優(yōu)的設(shè)計(jì)性能，但是需要花費(fèi)大量的時(shí)間與人力來進(jìn)行人工的布局布線，而且一旦需要修改內(nèi)部設(shè)計(jì)，將不得不影響到其它部分的布局。所以，它的設(shè)計(jì)成本相對(duì)較高，適合于大批量的 ASIC 芯片設(shè)計(jì)，如存儲(chǔ)芯片的設(shè)計(jì)等等。相比之下，半定制方法是一種基于庫元件的約束性設(shè)計(jì)。約束的主要目的是簡化設(shè)計(jì)、縮短設(shè)計(jì)周期，并提高芯片的成品率。它更多地利用了 EDA 系統(tǒng)來完成布局布線等工作，可以大大地減少設(shè)計(jì)工程師的工作量，因此它比較適合于小規(guī)模設(shè)計(jì)生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)。

DSP（DigitalSingnalProcessor，數(shù)字信號(hào)處理器）是一種獨(dú)特的微處理器，有自己的完整指令系統(tǒng)，是以數(shù)字信號(hào)來處理大量信息的器件。一個(gè)數(shù)字信號(hào)處理器芯片內(nèi)包括有控制單元、運(yùn)算單元、各種寄存器以及一定數(shù)量的存儲(chǔ)單元等等，在其外圍還可以連接若干存儲(chǔ)器，并可以與一定數(shù)量的外部設(shè)備互相通信，有軟、硬件的全面功能，本身就是一個(gè)微型計(jì)算機(jī)。DSP 采用的是哈佛結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即數(shù)據(jù)總線和地址總線分開，使程序和數(shù)據(jù)分別存儲(chǔ)在兩個(gè)分開的空間，允許取指令和執(zhí)行指令完全重疊。也就是說在執(zhí)行上一條指令的同時(shí)就可取出下一條指令，并進(jìn)行譯碼，這大大的提高了微處理器的速度。另外還允許在程序空間和數(shù)據(jù)空間之間進(jìn)行傳輸，因?yàn)樵黾恿似骷撵`活性。其工作原理是接收模擬信號(hào)，轉(zhuǎn)換為“0”或“1”的數(shù)字信號(hào)，再對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行修改、刪除、強(qiáng)化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實(shí)時(shí)運(yùn)行速度可達(dá)每秒數(shù)以千萬條復(fù)雜指令程序，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，是最值得稱道的兩大特色。由于它運(yùn)算能力很強(qiáng)，速度很快，體積很小，而且采用軟件編程具有高度的靈活性，因此為從事各種復(fù)雜的應(yīng)用提供了一條有效途徑。當(dāng)然，與通用微處理器相比，DSP 芯片的其他通用功能相對(duì)較弱些。

ARM（Advanced RISC Machines/microprocessor）嵌入式處理器是一種 32 位高性能、低功耗的 RISC（Reduced Instruction Se tComputing，精簡指令集）芯片，它由英國 ARM 公司設(shè)計(jì)，世界上幾乎所有的主要半導(dǎo)體廠商都生產(chǎn)基于 ARM 體系結(jié)構(gòu)的通用芯片，或在其專用芯片中嵌入 ARM 的相關(guān)技術(shù)，如 TI、Motorola、Intel、Atmel、Samsung、Philips、Altera、Nec、Sharp、NS 等公司都有相應(yīng)的產(chǎn)品。ARM 只是一個(gè)核，ARM 公司自己不生產(chǎn)芯片，采用授權(quán)方式給半導(dǎo)體生產(chǎn)商。目前，全球幾乎所有的半導(dǎo)體廠家都向 ARM 公司購買了 各種 ARM 核，配上多種不同的控制器（如 LCD 控制器、SDRAM 控制器、DMA 控制器等）和外設(shè)、接口，生產(chǎn)各種基于 ARM 核的芯片。目前，基于 ARM 核的各種處理器型號(hào)有好幾百種，在國內(nèi)市場(chǎng)上，常見的有 ST、TI、NXP、Atmel、Samsung、OKI、Sharp、Hynix、Crystal 等廠家的芯片。用戶可以根據(jù)各自的應(yīng)用需求，從性能、功能等方面考察，在許多具體型號(hào)中選擇最合適的芯片來設(shè)計(jì)自己的應(yīng)用系統(tǒng)。由于 ARM 核采用向上兼容的指令系統(tǒng)，用戶開發(fā)的軟件可以非常方便地移植到更高的 ARM 平臺(tái)。ARM 微處理器一般都具有體積小、功耗低、成本低、性能高、速度快的特點(diǎn)，目前 ARM 芯片廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、無線通信、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品、消費(fèi)類電子產(chǎn)品、安全產(chǎn)品等領(lǐng)域，如交換機(jī)、路由器、數(shù)控設(shè)備、機(jī)頂盒、STB 及智能卡都采用了 ARM 技術(shù)，并在將來取得更廣泛的應(yīng)用。

2、FPGA 的特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）的縮寫，它是在 PAL、GAL、PLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物，是專用集成電路（ASIC）中集成度最高的一種。FPGA 采用了邏輯單元陣列 LCA（Logic CellArray）這樣一個(gè) 新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊 CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊 IOB （InputOutputBlock）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。用戶可對(duì) FPGA 內(nèi)部的邏輯模塊和 I/O 模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)用戶的邏輯。它還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改。作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路，F(xiàn)PGA 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)?？梢院敛豢鋸埖闹v，F(xiàn)PGA 能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能 CPU，下至簡單的 74 電路，都可以用 FPGA 來實(shí)現(xiàn)。FPGA 如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真，我們可以事先驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。在 PCB 完成以后，還可以利用 FPGA 的在線修改能力，隨時(shí)修改設(shè)計(jì)而不必改動(dòng)硬件電路。使用 FPGA 來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設(shè)計(jì)時(shí)間，減少 PCB 面積，提高系統(tǒng)的可靠性。FPGA 是由存放在片內(nèi) RAM 中的程序來設(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 FPGA，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?？梢哉f，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。目前 FPGA 的品種很多，有 XILINX 的 XC 系列、TI 公司的 TPC 系列、ALTERA 公司的 FIEX 系列等。

3、他們的區(qū)別是什么呢？

DSP 主要是用來計(jì)算的，比如進(jìn)行加密解密、調(diào)制解調(diào)等，優(yōu)勢(shì)是強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運(yùn)行速度。ARM 具有比較強(qiáng)的事務(wù)管理功能，可以用來跑界面以及應(yīng)用程序等，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在控制方面，而 FPGA 可以用 VHDL 或 verilogHDL 來編程，靈活性強(qiáng)，由于能夠進(jìn)行編程、除錯(cuò)、再編程和重復(fù)操作，因此可以充分地進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)和驗(yàn)證。當(dāng)電路有少量改動(dòng)時(shí)，更能顯示出 FPGA 的優(yōu)勢(shì)，其現(xiàn)場(chǎng)編程能力可以延長產(chǎn)品在市場(chǎng)上的壽命，而這種能力可以用來進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)或除錯(cuò)。

任何信號(hào)處理器件性能的鑒定必須包括衡量該器件是否能在指定的時(shí)間內(nèi)完成所需的功能。這類評(píng)估中一種最基本的測(cè)量方法就是 1024 點(diǎn)快速傅立葉變換（FFT）處理時(shí)間的測(cè)量?？紤]一個(gè)具有 16 個(gè)抽頭的簡單 FIR 濾波器。該濾波器要求在每次采樣中完成 16 次乘積和累加（MAC）操作。德州儀器公司的 TMS320C6203DSP 具有 300MHz 的時(shí)鐘頻率，在合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，每秒可完成大約 4 億至 5 億次 MAC 操作。這意味著 C6203 系列器件的 FIR 濾波具有最大為每秒 3100 萬次采樣的輸入速率。但在 FPGA 中，所有 16 次 MAC 操作均可并行執(zhí)行。對(duì)于 XILINX 的 Virtex 器件，16 位 MAC 操作大約需要配置 160 個(gè)結(jié)構(gòu)可重置的邏輯塊（CLB），因此 16 個(gè)并發(fā) MAC 操作的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)將需要大約 2560 個(gè) CLB。XCV300E 可輕松地實(shí)現(xiàn)上述配置，并允許 FIR 濾波器工作在每秒 1 億個(gè)樣本的輸入采樣速率下。

目前，無線通信技術(shù)的發(fā)展十分迅速，無線通信技術(shù)發(fā)展的理論基礎(chǔ)之一是軟件無線電技術(shù)，而數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)無疑是實(shí)現(xiàn)軟件無線電技術(shù)的基礎(chǔ)。無線通信一方面正向語音和數(shù)據(jù)綜合的方向發(fā)展。另一方面，在手持 PDA 產(chǎn)品中越來越多地需要綜合移動(dòng)技術(shù)。這一要求對(duì)應(yīng)用于無線通信中的 FPGA 芯片提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，其中最重要的三個(gè)方面是功耗、性能和成本。為適應(yīng)無線通信的發(fā)展需要，F(xiàn)PGA 系統(tǒng)芯片（System On a Chip，SOC）的概念、技術(shù)、芯片應(yīng)運(yùn)而生。利用系統(tǒng)芯片技術(shù)將盡可能多的功能集成在一片 FPGA 芯片上，使其性能上具有速率高、功耗低的特點(diǎn)，不僅價(jià)格低廉，還可以降低復(fù)雜性，便于使用。

實(shí)際上，F(xiàn)PGA 器件的功能早已超越了傳統(tǒng)意義上的膠合邏輯功能。隨著各種技術(shù)的相互融合，為了同時(shí)滿足運(yùn)算速度、復(fù)雜度，以及降低開發(fā)難度的需求，目前在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域及嵌入式技術(shù)領(lǐng)域，F(xiàn)PGA 加 CPU 的配置模式已浮出水面，并逐漸成為標(biāo)準(zhǔn)的配置模式。

ARM 具有比較強(qiáng)的事務(wù)管理功能，可以用來跑界面以及應(yīng)用程序等，其優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在控制方面，而 DSP 主要是用來計(jì)算的，比如進(jìn)行加密解密、調(diào)制解調(diào)等，優(yōu)勢(shì)是強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運(yùn)行速度。FPGA 可以用 VHDL 或 verilogHDL 來編程，靈活性強(qiáng)，由于能夠進(jìn)行編程、除錯(cuò)、再編程和重復(fù)操作，因此可以充分地進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)和驗(yàn)證。當(dāng)電路有少量改動(dòng)時(shí)，更能顯示出 FPGA 的優(yōu)勢(shì)，其現(xiàn)場(chǎng)編程能力可以延長產(chǎn)品在市場(chǎng)上的壽命，而這種能力可以用來進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)或除錯(cuò)。

廣義的嵌入式無非幾種：傳統(tǒng)的什么 51、AVR、PIC 稱做嵌入式微控制器；ARM 是嵌入式微處理器；DSP；FPGA。

客觀的講，工作需求量上 DSP 的需求比 ARM 要多，而 ARM 和 FPGA 差不多。

DSP 因?yàn)閿?shù)字處理與通信領(lǐng)域的空前發(fā)展而火暴，小到 MP3 射像頭，大到軍品里的控制器，應(yīng)用面很廣。

FPGA 的兄弟一般做 ASIC，sopc. 而 ARM 單純說來并不比一個(gè)單片機(jī)強(qiáng)多少，但是它的獨(dú)特就在于不斷下降的價(jià)格和提升的性能。

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