FPGA如何工作？現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列的應(yīng)用

　　輸入/輸出焊盤(pán)、可重新編程的互連和可編程邏輯模塊組成了一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列。觸發(fā)器或存儲(chǔ)器模塊可用作現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列邏輯模塊中的存儲(chǔ)器組件。邏輯塊可以執(zhí)行簡(jiǎn)單到復(fù)雜的計(jì)算操作。

　　現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列和可編程只讀存儲(chǔ)器芯片有許多相似之處。FPGA可以容納數(shù)千個(gè)門(mén)陣列，這與可編程只讀存儲(chǔ)器芯片不同，可編程只讀存儲(chǔ)器芯片僅限于幾百個(gè)門(mén)陣列。現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列是可重新編程的，而不是ASIC，ASIC是為專(zhuān)業(yè)作業(yè)而開(kāi)發(fā)的。

　　計(jì)算機(jī)用戶(hù)可以使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列自定義微處理器的功能，以滿(mǎn)足特定的個(gè)性化需求。工程師使用FPGA來(lái)創(chuàng)建專(zhuān)用集成電路。晶圓功能的缺乏使得現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列的生命周期更具可預(yù)測(cè)性。其他優(yōu)勢(shì)包括潛在的重制、比其他解決方案更快的上市時(shí)間以及簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)周期。

　　FPGA用于許多行業(yè)和市場(chǎng)，包括無(wú)線通信、數(shù)據(jù)中心、汽車(chē)、醫(yī)療和航空航天。

　　FPGA中的芯片是完全可編程的，這是一個(gè)相當(dāng)大的好處。通過(guò)這種方式，它可以變成一個(gè)相當(dāng)大的邏輯電路，一個(gè)遵循設(shè)計(jì)的設(shè)置，但用戶(hù)也可以根據(jù)需要進(jìn)行更新以進(jìn)行調(diào)整。換句話(huà)說(shuō)，如果創(chuàng)建了一個(gè)電路卡或電路板，并且FPGA是電路的一個(gè)組件，則FPGA在創(chuàng)建過(guò)程中被編程，但隨后可以重新編程以反映任何修改。

　　雖然第一批FPGA是在1980年代初推出的，但直到20世紀(jì)90年代末才開(kāi)始流行起來(lái)。除了Altera、賽靈思和德州儀器等少數(shù)幾家企業(yè)之外，他們并不為人所知。

　　ASIC（專(zhuān)用集成電路）用于創(chuàng)建對(duì)于常規(guī)CPU或GPU來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜的系統(tǒng)，作為ASIC（專(zhuān)用集成電路）的替代方案。

　　由于它們使用戶(hù)能夠以更低的成本和更低的功耗生產(chǎn)產(chǎn)品，因此FPGA仍然是當(dāng)今技術(shù)中的一個(gè)突出主題。在網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)安全等其他應(yīng)用中，它們也很有幫助。將其與傳統(tǒng)微控制器進(jìn)行比較，傳統(tǒng)微控制器無(wú)法容納更大的設(shè)計(jì)，這是一項(xiàng)相當(dāng)大的進(jìn)步。

　　例如，8051微控制器采用了哈佛設(shè)計(jì)和CISC指令集。FPGA沒(méi)有這些內(nèi)置指令集，這給了設(shè)計(jì)人員更多的自由度。盡管FPGA經(jīng)常與高端計(jì)算相關(guān)聯(lián)，但消費(fèi)電子行業(yè)的使用也在增加。

　　現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列芯片已經(jīng)在頂級(jí)顯卡中包含許多功能。然而，它們比傳統(tǒng)的視頻卡更便宜，更耗電。它們還支持許多同步流，并且具有明顯更快的吞吐量。因此，基于FPGA的圖形卡在游戲機(jī)中越來(lái)越頻繁地使用。

　　Verilog和VHDL只是FPGA使用的眾多不同編程語(yǔ)言中的兩種。1984年，硬件描述語(yǔ)言Verilog被創(chuàng)建。它可用于構(gòu)建系統(tǒng)所需的任何類(lèi)型的電路，并且是FPGA的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

　　另一種基于狀態(tài)機(jī)對(duì)FPGA進(jìn)行編程的常用語(yǔ)言是VHDL。它與Verilog不同，因?yàn)樗喙δ埽鐢?shù)據(jù)類(lèi)型和信號(hào)名稱(chēng)，這使得創(chuàng)建復(fù)雜電路和提高效率變得更加簡(jiǎn)單。定義了FPGA編程的語(yǔ)法和語(yǔ)法。

　　FPGA如何工作？

　　每個(gè)FPGA制造商都有其獨(dú)特的架構(gòu)規(guī)范。關(guān)鍵組件、原則和功能包括：

　　1.可配置的邏輯塊

　　現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列的基本構(gòu)建模塊是CLB。它是一個(gè)邏輯單元，可以設(shè)置或編程以執(zhí)行特定任務(wù)。連接塊將連接到這些構(gòu)建基塊。這些組件包括攜帶和控制邏輯、晶體管對(duì)和查找表（LUT）。它們執(zhí)行設(shè)計(jì)所需的邏輯操作。

　　可以使用基于邏輯的多路復(fù)用器或LUT來(lái)創(chuàng)建CLB。基于LUT的邏輯中的模塊由D觸發(fā)器，查找表和2：1多路復(fù)用器組成。多路復(fù)用器選擇正確的輸出。

　　2.可編程互連

　　位于不同邏輯塊中的邏輯單元之間的所有獨(dú)特連接都存在于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列的這一區(qū)域中。包含多個(gè)基本半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)盒通常用于實(shí)現(xiàn)互連。這些電氣可編程鏈路為這些可編程邏輯模塊提供了路徑。

　　不同長(zhǎng)度的線段可以沿著布線路徑找到，并由電氣可編程開(kāi)關(guān)連接。FPGA密度由用于布線路徑的器件數(shù)量決定。FPGA的單元或輸入焊盤(pán)的輸出可以連接到電路中的任何其他單元或焊盤(pán)，利用對(duì)每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列至關(guān)重要的可編程互連點(diǎn)。

　　3.可編程路由

　　可編程路由至關(guān)重要，因?yàn)樗ǔＵ冀Y(jié)構(gòu)表面的百分之五十以上以及應(yīng)用程序的關(guān)鍵路由延遲?？删幊滩季€由預(yù)制線段和預(yù)配置的開(kāi)關(guān)組成。通過(guò)配置正確的開(kāi)關(guān)組合，功能塊的任何輸出都可以鏈接到任何輸入。現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列路由架構(gòu)有兩種基本類(lèi)型。

　　設(shè)計(jì)本質(zhì)上是分層的，高級(jí)組件實(shí)例化較低級(jí)別的模塊并鏈接其中的信號(hào)，從而為可編程門(mén)陣列提供了動(dòng)力。可編程門(mén)陣列可以使用連接芯片離散部分的短線來(lái)構(gòu)建這些連接，因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)層次結(jié)構(gòu)中靠近在一起的模塊之間更頻繁地進(jìn)行通信。FPGA的密度和性能受到路由設(shè)計(jì)的影響。

　　4.可編程I/O模塊

　　接口引腳用于將邏輯模塊與外部組件連接起來(lái)。現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列和外部電路之間的接口是IOB（輸入輸出模塊），這是一種可編程輸入和輸出器件，用于滿(mǎn)足各種電氣特性下輸入/輸出信號(hào)的驅(qū)動(dòng)和匹配需求。I/O塊將路由體系結(jié)構(gòu)和CLB連接到外部元素。

　　在封裝引腳和器件的底層電路之間，輸入/輸出模塊提供可編程的單向或雙向連接。實(shí)現(xiàn)應(yīng)用需要從頭開(kāi)始構(gòu)建電路，因?yàn)橐郧暗默F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列缺乏運(yùn)行任何軟件的處理器。因此，F(xiàn)PGA可能被編程為像OR門(mén)一樣簡(jiǎn)單，或者像多核處理器一樣復(fù)雜。

　　5.片上存儲(chǔ)器

　　集成在FPGA邏輯塊中的FFS是FPGA系統(tǒng)中片上存儲(chǔ)元件的一種形式。盡管如此，隨著現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列邏輯容量的提高，它被用于更廣泛的系統(tǒng)中，這些系統(tǒng)幾乎總是需要存儲(chǔ)器來(lái)緩沖和重用芯片上的數(shù)據(jù)。由于構(gòu)建由寄存器和LUT組成的大型RAM的密度比SRAM塊低100倍左右，因此還需要具有更密集的片上存儲(chǔ)。

　　此外，在現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列上實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用程序的RAM要求差異大不相同。

　　6.數(shù)字信號(hào)處理（DSP）模塊

　　在運(yùn)輸鏈之前，商業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列系統(tǒng)中使用的專(zhuān)用算術(shù)電路是加法器。

　　由于需要在利用LUT和攜帶鏈的軟邏輯中加入乘法器，因此產(chǎn)生了嚴(yán)重的面積和延遲損失。由于用于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列的高乘法器密度信號(hào)處理和通信應(yīng)用具有相當(dāng)大的市場(chǎng)份額，設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)了新穎的實(shí)現(xiàn)來(lái)解決軟邏輯乘法器實(shí)現(xiàn)效率低下的問(wèn)題，這稱(chēng)為數(shù)字信號(hào)處理或DSP。

　　無(wú)乘法分布式算術(shù)技術(shù)是使用基于LUT的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列創(chuàng)建高效有限脈沖響應(yīng)（FIR）濾波器設(shè)計(jì)的一種方法。乘法器是FPGA系統(tǒng)中作為專(zhuān)用電路進(jìn)行強(qiáng)化的主要候選者，因?yàn)樗鼈冊(cè)陉P(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列設(shè)計(jì)中普遍存在，并且在軟邏輯中實(shí)現(xiàn)時(shí)尺寸、延遲和功耗都降低了。

　　7.系統(tǒng)級(jí)互連

　　DDR內(nèi)存和以太網(wǎng)的興起只是FPGA容量和帶寬穩(wěn)步增長(zhǎng)的幾個(gè)原因。管理這些高頻端口和不斷增長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)流量是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。這種系統(tǒng)級(jí)鏈路過(guò)去是通過(guò)設(shè)置特定的FPGA邏輯和路由元件來(lái)形成軟總線來(lái)建立的，這些總線在必要的端點(diǎn)之間完成流水線，多路復(fù)用和布線。

　　更寬總線是匹配這些外部接口帶寬的唯一方法，因?yàn)樗鼈円员痊F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列結(jié)構(gòu)更高的頻率運(yùn)行。由于大量和物理上很長(zhǎng)的總線的組合，定時(shí)閉合具有挑戰(zhàn)性，并且通常需要對(duì)總線進(jìn)行相當(dāng)大的流水線處理，從而增加了資源消耗。

　　現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列的應(yīng)用

　　FPGA在各行各業(yè)都有廣泛的應(yīng)用，特別是在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域。它的一些關(guān)鍵應(yīng)用領(lǐng)域：

　　1.能源行業(yè)案例研究

　　太陽(yáng)能和風(fēng)能等可再生能源越來(lái)越受歡迎。它們?cè)?a target="_blank">智能電網(wǎng)中是可靠的，其中法規(guī)仍在建立中。輸配電（T&D）變電站尤其需要高效的電力網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)的最佳運(yùn)行。自動(dòng)化需要持續(xù)監(jiān)控、調(diào)節(jié)和保護(hù)電網(wǎng)的技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更有效的峰值需求負(fù)載管理。FPGA可以提高智能電網(wǎng)的性能和可擴(kuò)展性，同時(shí)保持低功耗。

　　2.使用FPGA設(shè)計(jì)集成電路

　　必須首先創(chuàng)建此類(lèi)電路的體系結(jié)構(gòu)。然后，使用FPGA構(gòu)建和測(cè)試原型，由于這種方法，錯(cuò)誤是可以糾正的。一旦原型按預(yù)期執(zhí)行，就會(huì)開(kāi)發(fā)一個(gè)ASIC項(xiàng)目。這能夠節(jié)省時(shí)間，因?yàn)閯?chuàng)建集成電路可能是一項(xiàng)勞動(dòng)密集型和復(fù)雜的操作。

　　此外，它還可以節(jié)省資金，因?yàn)榭梢允褂脝蝹€(gè)FPGA來(lái)創(chuàng)建同一項(xiàng)目的大量修訂版。值得注意的是，當(dāng)前的張量處理單元（TPU）或加密貨幣礦工最初是作為FPGA開(kāi)發(fā)的，直到那時(shí)它們才被生產(chǎn)出來(lái)。

　　3.汽車(chē)體驗(yàn)的改善

　　使用汽車(chē)芯片和IP實(shí)現(xiàn)車(chē)載信息娛樂(lè)、舒適性和便利性的解決方案。借助MicrosemiFPGA，車(chē)載原始設(shè)備制造商（OEM）和供應(yīng)商可以開(kāi)發(fā)創(chuàng)新的安全應(yīng)用，如巡航控制、盲點(diǎn)警告和防撞。

　　FPGA供應(yīng)商提供網(wǎng)絡(luò)安全功能，包括信息保證、防篡改和硬件安全，以及糾錯(cuò)內(nèi)存和低靜態(tài)功耗等可靠性功能。由于其最小的泄漏和在低功耗環(huán)境中工作的能力，基于FPGA的存儲(chǔ)可以提供低靜態(tài)功耗。

　　4.支持實(shí)時(shí)系統(tǒng)

　　在實(shí)時(shí)系統(tǒng)中，當(dāng)響應(yīng)時(shí)間至關(guān)重要時(shí)，會(huì)使用FPGA。傳統(tǒng)CPU的響應(yīng)時(shí)間是不可預(yù)測(cè)的，因此無(wú)法準(zhǔn)確估計(jì)一旦觸發(fā)器觸發(fā)，您將何時(shí)收到回復(fù)。采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)將反應(yīng)時(shí)間保持在預(yù)定范圍內(nèi)。

　　在需要快速響應(yīng)時(shí)間的情況下，這是不夠的。系統(tǒng)必須在FPGA中實(shí)現(xiàn)所需的方法，利用組合或順序電路來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題并保證恒定的響應(yīng)時(shí)間。一旦準(zhǔn)備就緒，就可以使用FPGA更改這樣的實(shí)時(shí)系統(tǒng)并將其投入生產(chǎn)。

　　5.航空航天和國(guó)防使用案例

　　為了滿(mǎn)足惡劣環(huán)境的性能、可靠性和壽命要求，同時(shí)提供比傳統(tǒng)ASIC實(shí)現(xiàn)更大的靈活性，工業(yè)制造公司提供了抗輻射可重構(gòu)的FPGA，這些FPGA通常是空間級(jí)的。抗輻射可重構(gòu)FPGA適用于處理密集型空間系統(tǒng)。

　　6.在通信和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）中的應(yīng)用

　　軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和其他算法（如快速傅里葉變換（FFT））必須放入FPGA中，以便在復(fù)雜的實(shí)時(shí)環(huán)境中使用。無(wú)線電的標(biāo)準(zhǔn)組件包括用于接收和傳輸信號(hào)的天線，以及用于通過(guò)過(guò)濾、更改信號(hào)頻率等來(lái)處理信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)硬件。

　　這種硬件無(wú)法從根本上改變它所要實(shí)現(xiàn)的功能。如今，此功能的很大一部分被轉(zhuǎn)移到電子設(shè)備中，這通常是FPGA。模擬器件通常僅限于天線、ADC和DAC轉(zhuǎn)換器。

　　7.數(shù)據(jù)中心和云中的FPGA

　　物聯(lián)網(wǎng)（IoT）和大數(shù)據(jù)正在產(chǎn)生獲取和處理的數(shù)據(jù)的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。這與通過(guò) 并行的多個(gè)操作的深度學(xué)習(xí)技術(shù)進(jìn)行計(jì)算分析相結(jié)合，導(dǎo)致對(duì)低延遲，靈活和安全的計(jì)算能力的高需求。由于空間成本不斷增加，無(wú)法通過(guò)添加更多服務(wù)器來(lái)解決。

　　由于FPGA能夠加速處理，設(shè)計(jì)靈活性以及硬件對(duì)軟件的安全性，數(shù)據(jù)中心世界的大門(mén)正在在很大程度上向他們敞開(kāi)。

　　8.計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)

　　在現(xiàn)代世界中，計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)存在于許多小工具中。視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)，機(jī)器人和其他設(shè)備就是這方面的例子。許多這些小工具通常需要基于FPGA的系統(tǒng)，以便它們能夠根據(jù)人的位置，周?chē)h(huán)境和面部識(shí)別功能，以有意義的方式與人進(jìn)行行動(dòng)和交互。要使用此功能，必須處理許多照片，其中大多數(shù)操作都是實(shí)時(shí)完成的，以檢測(cè)物體，識(shí)別人臉等。

　　編輯：黃飛