關(guān)于FPGA，你不得不知道的那些事

中信華

    FPGA（FieldProgrammableGateArray）譯作中文為：現(xiàn)場可編程門陣列，也就是設(shè)計者可以在現(xiàn)場對可定制的數(shù)字邏輯進(jìn)行編程的集成電路。

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    什么是FPGA？
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* V7 i* Z  _8 j. |+ N" N  v    首先，如果你從未接觸過FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列），或者有過一點基礎(chǔ)想要繼續(xù)深入了解這個行業(yè)，在這個小節(jié)，我會向你介紹FPGA，并且向你解釋FPGA都能解決什么問題，如何解決這些問題，并討論如何將設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化等等。
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    在FPGA四個英文字母中，F(xiàn)代表著Field，即現(xiàn)場，那什么是現(xiàn)場呢？FPGA中的現(xiàn)場，是一種廣義上的現(xiàn)場，既有指代產(chǎn)品所處之地，又體現(xiàn)的是FPGA的一種“即時性”；而P是Programmable，代表著可編程；G為Gate，門，也就是數(shù)字電路之中的邏輯門；A為Array，指由邏輯門組成的陣列。將四個英文單詞組合，就是我們常說的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列——FPGA。

    與其他搭建硬件平臺的方式相比，F(xiàn)PGA做了兩件事，首先，它使你能夠自由地搭建你需要的硬件平臺，取代了從前使用ASIC（專用集成電路）時所不得不承擔(dān)的長開發(fā)時間、高額開發(fā)經(jīng)費以及設(shè)計風(fēng)險，另外一點，相比于其它的硬件構(gòu)成，它允許你構(gòu)建你所需要的硬件而不需要ASIC，而且比采用微處理器內(nèi)核更簡單、快速、省電。

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, U6 \$ S- M0 ], _4 _  @! X  I  K; K    我們?yōu)槭裁葱枰狥PGA?
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, Q& T8 ?7 |$ O1 x  P8 b4 Q' v    ①編程自由度高
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    FPGA貌似在數(shù)字世界里無所不能，它就像樂高的積木一樣可以搭建各種不同的功能模塊，實現(xiàn)你所希望的各種功能，當(dāng)然，首先你必須掌握最基本的數(shù)字邏輯知識，學(xué)會一種用來構(gòu)建各種功能的工具語言（在這里我們推薦廣受歡迎的Verilog），再次你要動腦（考驗的是你的邏輯思維是否清晰），一個優(yōu)秀的建筑師的作品是在腦子里勾畫出來的，而不是拿積木碰運氣拼湊出來的。
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    ②開發(fā)周期短：“現(xiàn)場可編程”

+ c. K$ \' I# P  ?: _    FPGA可以使你去對產(chǎn)品進(jìn)行“現(xiàn)場”編程，這使得調(diào)試周期縮短，產(chǎn)品也就能夠迅速適應(yīng)新的工藝標(biāo)準(zhǔn)。并且產(chǎn)品在已經(jīng)在現(xiàn)場安裝上了之后依然可以對其硬件進(jìn)行直接配置，也就是我們所說的“現(xiàn)場可編程”。如果你能夠?qū)�簡單的邏輯門進(jìn)行合理配置或者將你想要的硬件系統(tǒng)描述出來，你就能利用這些簡單的邏輯做些更有意義的事情。而在你的技術(shù)還沒有成熟時，F(xiàn)PGA允許你進(jìn)行多變化的設(shè)計，并且在設(shè)計流程中不用承擔(dān)高額的經(jīng)費以及和一些不得不面對的設(shè)計風(fēng)險。
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: N' \) r, d! _+ Y7 z3 G    ③高速

    FPGA的高速體現(xiàn)在兩個方面：并行性，PLL鎖相環(huán)
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    第一點是FPGA的并行性，相比于傳統(tǒng)的MCU，程序規(guī)模越大，越能體現(xiàn)出FPGA的優(yōu)勢。也許簡單的“流水燈”程序看不出差別，但是如果是大型系統(tǒng)，存在大量的數(shù)據(jù)流，F(xiàn)PGA就可以調(diào)用內(nèi)部的FIFO核進(jìn)行高速處理，最終能夠與MCU系統(tǒng)能夠相差出數(shù)十毫秒到數(shù)百毫秒——這對于通訊行業(yè)以及航天、軍工行業(yè)是極為致命的。

2 M  y" u5 G  n, _9 D, @) C3 ?    第二點就是PLL鎖相環(huán)，MCU上同樣含有PLL鎖相環(huán)，但它受到的限制非常大，通常只能進(jìn)行幾個檔位的倍頻，而FPGA上的PLL倍頻自由度較高，以Altera公司生產(chǎn)的MAX10為例，50MHz的時鐘通常在芯片允許的情況下外部時鐘可倍頻到470MHz左右，而內(nèi)部時鐘可倍頻到1.3GHz。
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    舉個汽車的倒車攝像頭的例子，如果攝像頭完成從視頻捕捉到視頻顯示共花費了250ms的延時時間，而國家要求的延時時間不得超過100ms，你就可以用FPGA去取代傳統(tǒng)MCU去處理圖像信息，來滿足政府的延時要求。
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- d( O1 ^9 j7 }4 Q5 t7 C" G    ④高集成度

$ s: q$ e4 U2 L; U2 k  w: J! T    當(dāng)半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)品集成度越來越高的同時，編程者門也意識到可以在FPGA中建立整個子系統(tǒng)，而不是只局限于使用ASIC（專用集成電路），他們可以將更多的設(shè)備放在相同大小的封裝里——并且允許實現(xiàn)更多樣的功能和更復(fù)雜的算法，計算速度上升的同時，功耗也會更小。

    ⑤可嵌入IP硬核
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    FPGA可以內(nèi)置IP核，提供豐富強(qiáng)大的功能，使開發(fā)者無需浪費時間去重復(fù)的構(gòu)建同一種功能模塊。同時，也會減少資源的消耗并且節(jié)約很多資金，目前FPGA的存儲塊可以嵌入很多個IP核，例如，計算電路，收發(fā)器，協(xié)議控制器，甚至嵌入一個MCU，然而，重要的是要記住，IP核不是像FPGA的其他邏輯單元一樣可以重復(fù)編程，但是它是一個為了實現(xiàn)某一功能而定制出現(xiàn)的模塊，也就是說對于IP核，我們不用每次都去重構(gòu)它，這是在做無用功，我們直接調(diào)用即可。
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9 i( g& \; H- m4 P    因為IP核的這一特性，F(xiàn)PGA制造商可以將編寫完成的IP硬核以商品的形式進(jìn)行銷售，也是因為這一原因，大多數(shù)的電子系統(tǒng)趨向了標(biāo)準(zhǔn)化。