全面介紹FPGA的工作原理。

你是否好奇過(guò)FPGA技術(shù)是如何影響日常使用的設(shè)備的？在當(dāng)今快節(jié)奏的技術(shù)領(lǐng)域中，F(xiàn)PGA變得越來(lái)越重要。FPGA擁有強(qiáng)大的功能和廣泛的應(yīng)用，驅(qū)動(dòng)著現(xiàn)代科技的進(jìn)步。

本文的目的是介紹FPGA的內(nèi)部工作原理，并展示FPGA在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢(shì)。從信號(hào)處理到工業(yè)自動(dòng)化，F(xiàn)PGA在各個(gè)行業(yè)都產(chǎn)生了重大的影響。

01FPGA

從本質(zhì)上講，F(xiàn)PGA（Field-Programmable Gate Array，可編程門(mén)陣列）是一種半導(dǎo)體設(shè)備，由可配置的邏輯塊和互連組成，可以編程實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字電路。

與其他可編程設(shè)備的比較

FPGA常常與專(zhuān)用集成電路（ASIC）和微控制器進(jìn)行比較。ASIC專(zhuān)門(mén)為特定任務(wù)定制，提供了優(yōu)化的性能，但缺乏靈活性。另一方面，微控制器是通用設(shè)備，通常用于較簡(jiǎn)單的任務(wù)，并通過(guò)軟件控制。

FPGA的優(yōu)勢(shì)在于其在保持高性能的同時(shí)適應(yīng)各種任務(wù)的能力。FPGA可以動(dòng)態(tài)重新配置，非常適合需要靈活性和快速開(kāi)發(fā)周期的應(yīng)用。

02FPGA的主要組成部分

邏輯塊

邏輯塊是FPGA的基本構(gòu)建塊，包含可編程邏輯元素，可以配置為執(zhí)行各種數(shù)字功能，如與、或和異或門(mén)。這些邏輯塊可以通過(guò)編程來(lái)定義其功能和連接方式，從而實(shí)現(xiàn)所需的數(shù)字電路。

邏輯塊的可編程性是FPGA的特點(diǎn)之一，這使FPGA具備了高度的靈活性和可定制性。

互連

互連是將邏輯塊連接在一起的"線(xiàn)路"。它們構(gòu)成可編程的路由矩陣，允許不同的邏輯塊之間進(jìn)行靈活的連接，并最終定義FPGA的功能。

輸入/輸出塊

輸入/輸出（I/O）塊使FPGA能夠與外部設(shè)備（如傳感器、開(kāi)關(guān)或其他集成電路）進(jìn)行通信。它們可配置以支持各種電壓級(jí)別、標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議。

配置存儲(chǔ)器

配置存儲(chǔ)器存儲(chǔ)定義FPGA的邏輯塊和互連如何配置的編程數(shù)據(jù)。當(dāng)FPGA上電時(shí)，這些數(shù)據(jù)被加載到設(shè)備中，使其能夠執(zhí)行其預(yù)定功能。

03FPGA工作原理

了解FPGA的工作原理涉及到編程過(guò)程、配置和操作這些多功能設(shè)備。下面逐步分解介紹。

04編程過(guò)程

硬件描述語(yǔ)言（HDL）

首先，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)使用硬件描述語(yǔ)言（HDL），如Verilog或VHDL進(jìn)行描述。這些語(yǔ)言有助于定義數(shù)字電路的行為，使工程師能夠相對(duì)輕松地描述復(fù)雜設(shè)計(jì)。

編譯和綜合

接下來(lái)，HDL代碼被編譯和綜合成門(mén)級(jí)網(wǎng)表。這個(gè)過(guò)程將高級(jí)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為一組相互連接的門(mén)和觸發(fā)器，創(chuàng)建數(shù)字電路的藍(lán)圖。

布局與布線(xiàn)

在布局和布線(xiàn)階段，將網(wǎng)表映射到FPGA的可用資源，包括邏輯塊、互連和I/O塊。這個(gè)過(guò)程優(yōu)化布局以滿(mǎn)足性能、功耗和面積的限制。

比特流生成

最后，從布局和布線(xiàn)設(shè)計(jì)生成比特流。這個(gè)二進(jìn)制文件包含了FPGA的配置數(shù)據(jù)，決定了它的邏輯塊和互連如何設(shè)置以實(shí)現(xiàn)所需的功能。

05FPGA 配置

比特流加載

當(dāng) FPGA 上電時(shí)，比特流被加載到設(shè)備的配置存儲(chǔ)器中。這可以通過(guò)各種方法完成，例如片上非易失性存儲(chǔ)器、外部存儲(chǔ)器或?qū)Ｓ门渲迷O(shè)備。

配置邏輯塊和互連

一旦比特流加載完成，配置數(shù)據(jù)將配置 FPGA 的邏輯塊和互連，以實(shí)現(xiàn)所需的數(shù)字電路。這個(gè)過(guò)程有效地“編程”了 FPGA，使其執(zhí)行預(yù)定的功能。

06FPGA 操作

數(shù)字邏輯實(shí)現(xiàn)

通過(guò)配置 FPGA，它現(xiàn)在可以執(zhí)行預(yù)定的任務(wù)?；ミB的邏輯塊和互連形成一個(gè)數(shù)字電路，處理輸入信號(hào)，執(zhí)行計(jì)算，并根據(jù)需要生成輸出信號(hào)。

并行處理能力

FPGA 在并行處理方面表現(xiàn)出色，因?yàn)榭梢詫?shí)現(xiàn)多個(gè)獨(dú)立并且并發(fā)運(yùn)行的數(shù)字電路。這使FPGA非常適合需要高吞吐量和低延遲的應(yīng)用。

可重配置性和適應(yīng)性

FPGA 的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是其可重配置性。如果設(shè)計(jì)需要更新或改變，可以使用新的比特流重新編程 FPGA，實(shí)現(xiàn)快速迭代和適應(yīng)不斷發(fā)展的要求。

07FPGA 的應(yīng)用

由于其靈活性、性能和適應(yīng)性，F(xiàn)PGA 已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。下面是一些多功能設(shè)備最常見(jiàn)的應(yīng)用場(chǎng)景。

信號(hào)處理和數(shù)據(jù)采集

FPGA 在實(shí)時(shí)處理大量數(shù)據(jù)方面表現(xiàn)出色，經(jīng)常用于信號(hào)處理任務(wù)，例如雷達(dá)、聲納和醫(yī)學(xué)成像中的濾波、調(diào)制和解調(diào)。

工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)

從機(jī)器人技術(shù)到機(jī)器視覺(jué)，F(xiàn)PGA 在現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)中扮演著重要角色。FPGA的并行處理能力和低延遲性能使其非常適合需要高速數(shù)據(jù)處理和決策的任務(wù)。

網(wǎng)絡(luò)和電信

在網(wǎng)絡(luò)和電信領(lǐng)域，F(xiàn)PGA 用于數(shù)據(jù)包處理、路由和加密等任務(wù)。FPGA提供了必要的靈活性，以適應(yīng)不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，使其成為當(dāng)今互聯(lián)世界中不可或缺的組成部分。

加密貨幣挖礦

由于其并行處理能力和功耗效率，F(xiàn)PGA 在加密貨幣挖礦中變得越來(lái)越受歡迎?？梢詫?duì)其進(jìn)行編程，執(zhí)行挖礦任務(wù)所需的復(fù)雜數(shù)學(xué)計(jì)算，同時(shí)比傳統(tǒng) GPU 或 ASIC 消耗更少的能量。

科學(xué)研究和高性能計(jì)算

FPGA 在科學(xué)研究和高性能計(jì)算領(lǐng)域找到了應(yīng)用，利用其并行處理和可重配置性，可以進(jìn)行模擬、數(shù)據(jù)分析和算法加速等任務(wù)。

原型設(shè)計(jì)和硬件開(kāi)發(fā)

FPGA 常用于原型設(shè)計(jì)和硬件開(kāi)發(fā)，使工程師能夠在投入昂貴的定制 ASIC 或其他制造流程之前，快速迭代和測(cè)試新設(shè)計(jì)。這加快了開(kāi)發(fā)周期，并縮短了新產(chǎn)品上市時(shí)間。

08FPGA 的優(yōu)勢(shì)和優(yōu)點(diǎn)

FPGA 具有幾個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)和優(yōu)點(diǎn)，使其成為各種應(yīng)用中令人向往的選擇。讓我們深入了解一些最顯著的優(yōu)勢(shì)。

靈活性和可重配置性

FPGA 可以實(shí)時(shí)重新編程以執(zhí)行不同的任務(wù)，提供無(wú)與倫比的靈活性。這使其能夠適應(yīng)不斷變化的需求和標(biāo)準(zhǔn)，延長(zhǎng)其在許多應(yīng)用中的使用壽命和有用性。

快速原型設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)

借助 FPGA，工程師可以快速迭代設(shè)計(jì)并測(cè)試新概念，無(wú)需昂貴的定制硅片。這加速了開(kāi)發(fā)過(guò)程，并縮短了新產(chǎn)品和創(chuàng)新的上市時(shí)間。

可定制化和可擴(kuò)展性

FPGA 可以根據(jù)特定應(yīng)用需求進(jìn)行定制，提供量身定制的解決方案，以最大化性能和效率。此外，F(xiàn)PGA固有的可擴(kuò)展性使其適用于各種項(xiàng)目，從小規(guī)模原型到大規(guī)模生產(chǎn)部署。

功耗效率

與其他可編程設(shè)備相比，F(xiàn)PGA 通常具有更好的功耗效率，在對(duì)能源消耗敏感的應(yīng)用中是一個(gè)有吸引力的選擇。這在電池供電設(shè)備或?qū)δ茉疵舾械沫h(huán)境中尤為重要。

長(zhǎng)期成本效益

盡管 FPGA 的初始成本可能相對(duì)較高，但考慮到減少的開(kāi)發(fā)時(shí)間、適應(yīng)性和功耗效率等因素，F(xiàn)PGA的長(zhǎng)期成本效益顯而易見(jiàn)。隨著時(shí)間的推移，這些優(yōu)勢(shì)可以為企業(yè)和項(xiàng)目帶來(lái)顯著的成本節(jié)省。

09選擇合適的 FPGA

選擇適合項(xiàng)目的理想 FPGA 可能是一項(xiàng)復(fù)雜的任務(wù)。有必要考慮各種因素并評(píng)估不同供應(yīng)商的產(chǎn)品。

10選擇 FPGA 時(shí)需要考慮的因素

性能要求

考慮應(yīng)用的性能要求，如處理速度、帶寬和延遲。選擇一個(gè)能夠滿(mǎn)足或超出這些要求的 FPGA，同時(shí)保持功耗效率和成本效益。

功耗

在許多應(yīng)用中，功耗是至關(guān)重要的，特別是在電池供電設(shè)備或?qū)δ茉疵舾械沫h(huán)境中。評(píng)估項(xiàng)目的功耗需求，并選擇在不降低性能的情況下滿(mǎn)足您需求的 FPGA。

預(yù)算和成本考慮

雖然 FPGA 可以提供長(zhǎng)期的成本節(jié)省，但初始成本可能是一個(gè)問(wèn)題。在選擇項(xiàng)目的 FPGA 時(shí)，請(qǐng)確保將擁有成本考慮在內(nèi)，包括開(kāi)發(fā)工具、IP 授權(quán)和支持等的總體費(fèi)用。

供應(yīng)商支持和生態(tài)系統(tǒng)

強(qiáng)大的供應(yīng)商支持和全面的開(kāi)發(fā)工具、IP 核和參考設(shè)計(jì)生態(tài)系統(tǒng)可以極大地簡(jiǎn)化 FPGA 開(kāi)發(fā)過(guò)程。選擇具有良好支持記錄和強(qiáng)大生態(tài)系統(tǒng)的供應(yīng)商，以確保更順暢的開(kāi)發(fā)體驗(yàn)。

11知名 FPGA 供應(yīng)商及其產(chǎn)品線(xiàn)

Xilinx

Xilinx 是領(lǐng)先的 FPGA 供應(yīng)商，提供包括熱門(mén)的 Spartan、Artix、Kintex 和 Virtex 系列在內(nèi)的各種設(shè)備。這些 FPGA 適用于各種性能、功耗和成本需求，適用于各種應(yīng)用。

英特爾（Altera）

英特爾通過(guò)收購(gòu) Altera，提供了一系列競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)的 FPGA，包括 Cyclone、Arria 和 Stratix 系列。這些設(shè)備以其性能和功耗效率而聞名，在許多行業(yè)中備受青睞。

Lattice Semiconductor

Lattice Semiconductor 專(zhuān)注于低功耗、小型尺寸的 FPGA，如 iCE、MachXO 和 ECP 系列。這些設(shè)備非常適合需要最小功耗和緊湊尺寸的應(yīng)用。

Microchip（Microsemi）

Microchip 通過(guò)收購(gòu) Microsemi，提供了一系列 FPGA，包括低功耗的非易失性 IGLOO 和 ProASIC 系列，以及用于耐輻射應(yīng)用的高可靠性 RTG4 系列。這些 FPGA 適用于特定的細(xì)分需求和市場(chǎng)。

12總結(jié)

本文介紹了 FPGA 技術(shù)的內(nèi)部工作原理、應(yīng)用和優(yōu)勢(shì)。從信號(hào)處理到原型設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA 憑借其靈活性、可重構(gòu)性和性能，在各個(gè)行業(yè)中被證明是一個(gè)重要的組成部分。

有了 FPGA，可能性是無(wú)限的?，F(xiàn)在是釋放創(chuàng)造力、發(fā)揮這些多才多藝設(shè)備潛力的時(shí)候了！

本文轉(zhuǎn)載自Java學(xué)研大本營(yíng)

審核編輯：湯梓紅