前言

　　做單片機(jī)開發(fā)的工程師，一般都會(huì)接觸FPGA。

　　有讀者大概問了這樣的問題：FPGA能做什么?比單片機(jī)厲害嗎?

　　這么說吧，F(xiàn)PGA在某方面也能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)做的事，在某些領(lǐng)域，F(xiàn)PGA遠(yuǎn)比單片機(jī)強(qiáng)的多。

　　當(dāng)然，F(xiàn)PGA和單片機(jī)各有各的特點(diǎn)，在應(yīng)用上也有一些區(qū)別，本文主要說下 FPGA 厲害的地方。

　　02

　　關(guān)于FPGA

　　FPGA(現(xiàn)場(chǎng)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(diǎn)，它可以很容易地實(shí)現(xiàn)分布式的算法結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)無線通信中的高速數(shù)字信號(hào)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(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。

　　因?yàn)樵跓o線通信系統(tǒng)中，許多功能模塊通常都需要大量的濾波運(yùn)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(shí)現(xiàn)分布式的算術(shù)結(jié)構(gòu)，就可以有效地實(shí)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(shí)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(duì)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(shí)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(shí)現(xiàn)。總而言之只要你 FPGA 學(xué)的好，在通信領(lǐng)域你絕對(duì)可以大展身手。

　　2.數(shù)字信號(hào)處理

　　FPGA在數(shù)字信號(hào)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(hào)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(hào)處理，滿足通信、雷達(dá)、無線電等領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)性的要求。

　　在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域 FPGA 同樣所向披靡，主要是因?yàn)樗母咚俨⑿刑幚砟芰?。FPGA最大優(yōu)勢(shì)是其并行處理機(jī)制，即利用并行架構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的功能。

　　這一并行機(jī)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(hào)處理任務(wù)，對(duì)于高速并行的數(shù)字信號(hào)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(dòng)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?yàn)橹噶罴臅r(shí)鐘周期的限制，不能處理太高速的信號(hào)，對(duì)于速率級(jí)為 Gbps的 LVDS 之類信號(hào)就難以涉及。所以在數(shù)字信號(hào)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(shí)代的變換，人們對(duì)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(shì)，被廣泛應(yīng)用于高速圖像采集、實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(shí) FPGA 的優(yōu)勢(shì)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(chǎng)的歡迎。

　　4.高速接口設(shè)計(jì)

　　其實(shí)看了 FPGA 在通信領(lǐng)域和數(shù)字信號(hào)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(jì)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(gè)的 IO 決定了它在高速接口設(shè)計(jì)領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

　　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(jī)處理，或者將處理后的結(jié)果傳給 PC 機(jī)進(jìn)行顯示。PC 機(jī)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(duì)應(yīng)的接口使用對(duì)應(yīng)的接口芯片，例如 PCI 接口芯片，當(dāng)我需要很多接口時(shí)我就需要多個(gè)這樣的接口芯片，這無疑會(huì)使我們的硬件外設(shè)變得復(fù)雜，體積變得龐大，會(huì)很不方便，但是如果使用 FPGA 優(yōu)勢(shì)立馬就出來了，因?yàn)椴煌慕涌谶壿嫸伎梢栽?FPGA 內(nèi)部去實(shí)現(xiàn)，完全沒必要那么多的接口芯片，在配合 DDR 存儲(chǔ)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(huì)被 5G 通信和人工智能充斥眼球，確實(shí) 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(dòng)駕駛，需要對(duì)行駛路線、紅綠燈、路障和行駛速度等各種交通信號(hào)進(jìn)行采集，需要用到多種傳感器，對(duì)這些傳感器進(jìn)行綜合驅(qū)動(dòng)和融合處理就可以使用 FPGA。

　　還有一些智能機(jī)器人，需要對(duì)圖像進(jìn)行采集和處理，或者對(duì)聲音信號(hào)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(jì)

　　IC 這個(gè)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(jì)更是一些神人才能勝任的工作。不可否認(rèn)的是 IC 設(shè)計(jì)門檻確實(shí)比較高，但是我們也沒必要把它過于神話，其實(shí)簡(jiǎn)單點(diǎn)來講我們可以拿 PCB 設(shè)計(jì)來與之比較，PCB 是拿一個(gè)個(gè)元器件在印制線路板上去搭建一個(gè)特定功能的電路組合，而 IC 設(shè)計(jì)呢是拿一個(gè)個(gè) MOS 管，PN 節(jié)在硅基襯底上去搭建一個(gè)特定功能的電路組合，一個(gè)宏觀一個(gè)微觀。

　　PCB 如果設(shè)計(jì)廢了大不了重新設(shè)計(jì)再打樣也不會(huì)造成太大損失，但是如果 IC 設(shè)計(jì)廢了再重新設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)器損耗、機(jī)器保養(yǎng)，絕對(duì)是讓人肉疼的損失，所以 IC 設(shè)計(jì)都要強(qiáng)調(diào)一版成功。

　　保證 IC 一版成功就要進(jìn)行充分的仿真測(cè)試和 FPGA 驗(yàn)證，仿真驗(yàn)證是在服務(wù)器上面跑仿真軟件進(jìn)行測(cè)試，類似 ModelSim/VCS 軟件;

　　FPGA 驗(yàn)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(yàn)證板上面進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)于復(fù)雜的 IC 我們還可以給他拆成幾個(gè)部分功能去分別驗(yàn)證，每個(gè)功能模塊放在一個(gè) FPGA 上面，F(xiàn)PGA 生成的電路非常接近真實(shí)的 IC 芯片。這樣極大的方便我們 IC 設(shè)計(jì)人員去驗(yàn)證自己的 IC 設(shè)計(jì)。

　　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。