一文带你了解FPGA

FPGA是什么FPGA（FieldProgrammableGateArray），现场可编程门阵列，一种半定制的数字集成电路。FPGA凭借其灵活性高、开发周期短、处理性能强（并行）等特点，广泛应用于通信、图像处理、医疗等领域。随着科技的进步，FPGA在人工智能、5G和自动驾驶等领域也有一席之地。FPGA它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路个数有限的缺点。面包板搭建数字时钟电路从图中我们可以看到该电路是一个数字时钟，里面有晶振、蜂鸣器、数码管，以及各种74系列的小芯片，这些小芯片能够实现的功能也就相当于几个逻辑门，如果你亲自动手去搭建它，肯定会知道搭建该电路是非常麻烦的，一根线一根线去连接，不断对照原理图，生怕搭错一根线，搞不好心态就崩了。这仅仅是搭建一个简单的数字时钟就这么多跟线了。如果我们想要实现更加复杂的功能，那么我们就要犯难了，因为我们需要使用几十个或者上百个这种专用小芯片来完成，这样就会使得电路板的布局、布线变得困难，还会极大的影响到整个系统的性能，而且搭出来的电路体积庞大，也不美观，实用性极差，所以这种方式毫无疑问是不行的。为了改变这种情况，大家就想到了一个办法，那就是通过专用集成电路（ASIC）来实现，我们可以将要实现的特定需求交给ASIC厂商，让他们设计出一个专用集成电路芯片，这样就可以解决这种问题了。比如说，我们把数字时钟功能要求交给ASIC厂商，ASIC厂商就会根据数字时钟功能要求设计出一个专用集成电路芯片，这一个小小的芯片它其实就完成了我们数字时钟电路功能。这种方法虽然很好，但同时也会带来很多其他的问题，比如说，生成周期长，芯片难验证，芯片内部电路不可以更改等等问题。于是人们就开始不断地去探索，看看有没有什么办法既能让我很好的实现功能，又能解决定制电路的不足。于是FPGA应运而生，于年由Xilinx创始人之一RossFreeman发明，属于可编程逻辑器件PLD（ProgrammableLogicDevice）的一种。XilinxA7系列FPGA芯片真正意义上的第一颗FPGA芯片XC为Xilinx所发明，这个时间差不多比著名的摩尔定律晚20年左右，但是FPGA一经问世，后续的发展速度之快，超出大多数人的想象。我们要知道一块专用的ASIC定制集成电路的芯片他在出厂前功能就已经定死了，就拿上面的数字时钟来举例，假如我现在拿到一块全新的数字时钟芯片，那么我只需要看看厂家给我提供的数据手册，看看它是怎么操作的，可能仅仅只需要给它通上电然后简单的配置一下它就能工作了。它的功能是不可更改的，就只能跑个数字时钟，而且它内部电路是啥样的我也不知道，虽然用起来简单，但是缺乏灵活性，但FPGA就不一样了，它在出厂的那一刻是不具备任何功能的，可以说就是一张白纸。你可以在这张白纸上肆意创作，你想要它实现数字时钟的功能没问题，通过特定的编辑语言，例如Verilog、VHDL等硬件描述语言将数字时钟的逻辑编写好，下载到FPGA内部，它就会生成一个数字时钟的电路，去完成数字时钟的功能。当你不想要这个功能了，没问题你可以随时将内部程序擦除，或者用一个新的设计去覆盖原有的设计。理论上我们可以用FPGA去生成一个任意我们想要的功能，正是基于这种强大的可编辑能力，FPGA近年来越来越受到市场的认可，在未来FPGA的适用范围必将越来越广阔。FPGA有什么用FPGA所能应用的领域大概可以分成六大类：1）通信领域FPGA在通信领域的应用可以说是无所不能，得益于FPGA内部结构的特点，它可以很容易地实现分布式的算法结构，这一点对于实现无线通信中的高速数字信号处理十分有利。因为在无线通信系统中，许多功能模块通常都需要大量的滤波运算，而这些滤波函数往往需要大量的乘和累加操作。而通过FPGA来实现分布式的算术结构，就可以有效地实现这些乘和累加操作。尤其是Xilinx公司的FPGA内部集成了大量的适合通信领域的一些资源比如：基带处理(通道卡)、接口和连接功能以及RF(射频卡)三大类：(1)基带处理资源基带处理主要包括信道编解码(LDPC、Turbo、卷积码以及RS码的编解码算法)和同步算法的实现(WCDMA系统小区搜索等)。(2)接口和连接资源接口和连接功能主要包括无线基站对外的高速通信接口(PCIExpress、以太网MAC、高速AD/DA接口)以及内部相应的背板协议(OBSAI、CPRI、EMIF、LinkPort)的实现。(3)RF应用资源RF应用主要包括调制/解调、上/下变频(WiMAX、WCDMA、TD-SCDMA以及CDMA系统的单通道、多通道DDC/DUC)、削峰(PC-CFR)以及预失真(Predistortion)等关键技术的实现。总而言之只要你FPGA学的好，在通信领域你绝对可以大展身手。2）数字信号处理领域在数字信号处理领域FPGA同样所向披靡，主要是因为它的高速并行处理能力。FPGA最大优势是其并行处理机制，即利用并行架构实现数字信号处理的功能。这一并行机制使得FPGA特别适合于完成FIR等数字滤波这样重复性的数字信号处理任务，对于高速并行的数字信号处理任务来说，FPGA性能远远超过通用DSP处理器的串行执行架构，还有就是它接口的电压和驱动能力都是可编程配置的不像传统的DSP需要受指令集控制，因为指令集的时钟周期的限制，不能处理太高速的信号，对于速率级为Gbps的LVDS之类信号就难以涉及。所以在数字信号处理领域FPGA的应用也是十分广泛的。3）视频图像处理领域随着时代的变换，人们对图像的稳定性、清晰度、亮度和颜色的追求越来越高，像以前的标清（SD）慢慢演变成高清（HD），到现在人们更是追求蓝光品质的图像。这使得处理芯片需要实时处理的数据量越来越大，并且图像的压缩算法也是越来越复杂，使得单纯的使用ASSP或者DSP已经满足不了如此大的数据处理量了。这时FPGA的优势就凸显出来了，它可以更加高效的处理数据，所以在图像处理领域在综合考虑成本后，FPGA也越来越受到市场的欢迎。4）高速接口设计领域其实看了FPGA在通信领域和数字信号处理领域的表现，我想大家也已应该猜到了在高速接口设计领域，FPGA必然也是有一席之地的。它的高速处理能力和多达成百上千个的IO决定了它在高速接口设计领域的独特优势。比如说我需要和PC端做数据交互，将采集到的数据送给PC机处理，或者将处理后的结果传给PC机进行显示。PC机与外部系统通信的接口比较丰富，如ISA、PCI、PCIExpress、PS/2、USB等。传统的做法是对应的接口使用对应的接口芯片，例如PCI接口芯片，当我需要很多接口时我就需要多个这样的接口芯片，这无疑会使我们的硬件外设变得复杂，体积变得庞大，会很不方便，但是如果使用FPGA优势立马就出来了，因为不同的接口逻辑都可以在FPGA内部去实现，完全没必要那么多的接口芯片，在配合DDR存储器的使用，将使我们接口数据的处理变得更加得心应手。5）人工智能领域如果大家比较喜欢

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