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前言 做單片機開發(fā)的工程師，一般都會接觸FPGA。 有讀者大概問了這樣的問題：FPGA能做什么？比單片機厲害嗎？ 這么說吧，F(xiàn)PGA在某方面也能實現(xiàn)單片機做的事，在某些領(lǐng)域，F(xiàn)PGA遠(yuǎn)比單片機強的多。 當(dāng)然，F(xiàn)PGA和單片機各有各的特點，在應(yīng)用上也有一些區(qū)別，本文主要說下 FPGA 厲害的地方。

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關(guān)于FPGA

FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）是一種可編程的硬件設(shè)備，通過編程可以定義其內(nèi)部邏輯電路的結(jié)構(gòu)和功能，具有高度的靈活性和可定制性。

下面說說FPGA 常見的幾大應(yīng)用的領(lǐng)域：

1.通信系統(tǒng)

FPGA 在通信領(lǐng)域的應(yīng)用可以說是無所不能，得益于 FPGA 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點，它可以很容易地實現(xiàn)分布式的算法結(jié)構(gòu)，這一點對于實現(xiàn)無線通信中的高速數(shù)字信號處理十分有利。

FPGA可以處理多種通信協(xié)議，如以太網(wǎng)、USB、PCI Express、SATA、HDMI等，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。 因為在無線通信系統(tǒng)中，許多功能模塊通常都需要大量的濾波運算，而這些濾波函數(shù)往往需要大量的乘和累加操作。而通過FPGA 來實現(xiàn)分布式的算術(shù)結(jié)構(gòu)，就可以有效地實現(xiàn)這些乘和累加操作。 尤其是 Xilinx 公司的 FPGA 內(nèi)部集成了大量的適合通信領(lǐng)域的一些資源比如：基帶處理(通道卡)、接口和連接功能以及 RF(射頻卡)三大類：

基帶處理資源基帶處理主要包括信道編解碼(LDPC、Turbo、卷積碼以及 RS 碼的編解碼算法)和同步算法的實現(xiàn)(WCDMA 系統(tǒng)小區(qū)搜索等)。

接口和連接資源接口和連接功能主要包括無線基站對外的高速通信接口(PCI Express、以太網(wǎng) MAC、高速 AD/DA 接口)以及內(nèi)部相應(yīng)的背板協(xié)議(OBSAI、CPRI、EMIF、LinkPort)的實現(xiàn)。

RF 應(yīng)用資源RF 應(yīng)用主要包括調(diào)制/解調(diào)、上/下變頻(WiMAX、WCDMA、TD-SCDMA 以及 CDMA2000 系統(tǒng)的單通道、多通道 DDC/DUC)、削峰(PC-CFR)以及預(yù)失真(Predistortion)等關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)。總而言之只要你 FPGA 學(xué)的好，在通信領(lǐng)域你絕對可以大展身手。

2.數(shù)字信號處理

FPGA在數(shù)字信號處理方面應(yīng)用廣泛，包括濾波、FFT（快速傅里葉變換）、數(shù)字信號生成等。通過硬件加速技術(shù)，F(xiàn)PGA能夠?qū)崿F(xiàn)高速的數(shù)字信號處理，滿足通信、雷達(dá)、無線電等領(lǐng)域?qū)崟r性的要求。 在數(shù)字信號處理領(lǐng)域 FPGA 同樣所向披靡，主要是因為它的高速并行處理能力。FPGA最大優(yōu)勢是其并行處理機制，即利用并行架構(gòu)實現(xiàn)數(shù)字信號處理的功能。

這一并行機制使得 FPGA 特別適合于完成 FIR 等數(shù)字濾波這樣重復(fù)性的數(shù)字信號處理任務(wù)，對于高速并行的數(shù)字信號處理任務(wù)來說，F(xiàn)PGA性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通用 DSP 處理器的串行執(zhí)行架構(gòu)，還有就是它接口的電壓和驅(qū)動能力都是可編程配置的不像傳統(tǒng)的 DSP 要受指令集控制，因為指令集的時鐘周期的限制，不能處理太高速的信號，對于速率級為 Gbps的 LVDS 之類信號就難以涉及。所以在數(shù)字信號處理領(lǐng)域 FPGA 的應(yīng)用也是十分廣泛的。

3.視頻圖像處理

隨著時代的變換，人們對圖像的穩(wěn)定性、清晰度、亮度和顏色的追求越來越高，像以前的標(biāo)清（SD）慢慢演變成高清（HD），到現(xiàn)在人們更是追求藍(lán)光品質(zhì)的圖像。 FPGA因其高速度和低功耗的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于高速圖像采集、實時圖像處理、智能監(jiān)控和醫(yī)學(xué)圖像處理等應(yīng)用。 這使得處理芯片需要實時處理的數(shù)據(jù)量越來越大，并且圖像的壓縮算法也是越來越復(fù)雜，使得單純的使用 ASSP 或者 DSP 已經(jīng)滿足不了如此大的數(shù)據(jù)處理量了。 這時 FPGA 的優(yōu)勢就凸顯出來了，它可以更加高效的處理數(shù)據(jù)，所以在圖像處理領(lǐng)域在綜合考慮成本后，F(xiàn)PGA 也越來越受到市場的歡迎。

4.高速接口設(shè)計

其實看了 FPGA 在通信領(lǐng)域和數(shù)字信號處理領(lǐng)域的表現(xiàn)，我想大家也已應(yīng)該猜到了在高速接口設(shè)計領(lǐng)域，F(xiàn)PGA 必然也是有一席之地的。它的高速處理能力和多達(dá)成百上千個的 IO 決定了它在高速接口設(shè)計領(lǐng)域的獨特優(yōu)勢。 比如說我需要和 PC 端做數(shù)據(jù)交互，將采集到的數(shù)據(jù)送給 PC 機處理，或者將處理后的結(jié)果傳給 PC 機進(jìn)行顯示。PC 機與外部系統(tǒng)通信的接口比較豐富，如 ISA、PCI、PCI Express、PS/2、USB 等。 傳統(tǒng)的做法是對應(yīng)的接口使用對應(yīng)的接口芯片，例如 PCI 接口芯片，當(dāng)我需要很多接口時我就需要多個這樣的接口芯片，這無疑會使我們的硬件外設(shè)變得復(fù)雜，體積變得龐大，會很不方便，但是如果使用 FPGA 優(yōu)勢立馬就出來了，因為不同的接口邏輯都可以在 FPGA 內(nèi)部去實現(xiàn)，完全沒必要那么多的接口芯片，在配合 DDR 存儲器的使用，將使我們接口數(shù)據(jù)的處理變得更加得心應(yīng)手。

5.人工智能

如果大家比較喜歡關(guān)注科技板塊的新聞的話最近一定會被 5G 通信和人工智能充斥眼球，確實 21 世紀(jì)已經(jīng)不知不覺走到了 2020 年，在這 20 年間，人工智能迅速發(fā)展，5G 的順利研發(fā)也使人工智能如虎添翼，可以預(yù)見，未來必將是人工智能的天下。 FPGA 在人工智能系統(tǒng)的前端部分也是得到了廣泛的應(yīng)用，例如自動駕駛，需要對行駛路線、紅綠燈、路障和行駛速度等各種交通信號進(jìn)行采集，需要用到多種傳感器，對這些傳感器進(jìn)行綜合驅(qū)動和融合處理就可以使用 FPGA。 還有一些智能機器人，需要對圖像進(jìn)行采集和處理，或者對聲音信號進(jìn)行處理都可以使用 FPGA 去完成，所以 FPGA 在人工智能系統(tǒng)的前端信息處理上使用起來得心應(yīng)手。

6.IC 設(shè)計

IC 這個詞大家可能一聽到就覺得特別高深，不是凡人所能觸及到的，而 IC 設(shè)計更是一些神人才能勝任的工作。不可否認(rèn)的是 IC 設(shè)計門檻確實比較高，但是我們也沒必要把它過于神話，其實簡單點來講我們可以拿 PCB 設(shè)計來與之比較，PCB 是拿一個個元器件在印制線路板上去搭建一個特定功能的電路組合，而 IC 設(shè)計呢是拿一個個 MOS 管，PN 節(jié)在硅基襯底上去搭建一個特定功能的電路組合，一個宏觀一個微觀。 PCB 如果設(shè)計廢了大不了重新設(shè)計再打樣也不會造成太大損失，但是如果 IC 設(shè)計廢了再重新設(shè)計那損失就很慘重了，俗話說大炮一開，黃金萬兩，那么在 IC 領(lǐng)域光刻機一開黃金萬兩也不是吹的，光刻膠貴的要命，光刻板開模也不便宜，加上其他多達(dá)幾百上千道工序，其中人力、物力、機器損耗、機器保養(yǎng)，絕對是讓人肉疼的損失，所以 IC 設(shè)計都要強調(diào)一版成功。 保證 IC 一版成功就要進(jìn)行充分的仿真測試和 FPGA 驗證，仿真驗證是在服務(wù)器上面跑仿真軟件進(jìn)行測試，類似 ModelSim/VCS 軟件； FPGA 驗證主要是把 IC 的代碼移植到 FPGA 上面，使用 FPGA 綜合工具進(jìn)行綜合、布局布線到最終生成 bit 文件，然后下載到 FPGA 驗證板上面進(jìn)行驗證，對于復(fù)雜的 IC 我們還可以給他拆成幾個部分功能去分別驗證，每個功能模塊放在一個 FPGA 上面，F(xiàn)PGA 生成的電路非常接近真實的 IC 芯片。這樣極大的方便我們 IC 設(shè)計人員去驗證自己的 IC 設(shè)計。 其他 比如電力行業(yè)的高速數(shù)據(jù)采集，醫(yī)療行業(yè)的高速、大數(shù)據(jù)量的模擬量采集傳輸，軍工行業(yè)的雷達(dá)、衛(wèi)星、制導(dǎo)系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)安全、工業(yè)控制等等都是FPGA的應(yīng)用領(lǐng)域。

審核編輯：黃飛