以下文章來源于OpenFPGA，作者碎碎思

FPGA 允許在單個芯片中實現(xiàn)大量數(shù)字邏輯，其運行速度相對較高，并且只需很少或不需要在 CPU 內(nèi)核上運行的傳統(tǒng)順序程序即可完成其工作。

這種數(shù)字邏輯可以實現(xiàn)任何東西，從簡單的UART到由數(shù)十個CPU內(nèi)核組成的架構，每個CPU內(nèi)核都運行自己的小程序，并在共享任務上相互通信?；蛘?，它可以是幾組不同的邏輯在處理完全獨立的任務，這些任務彼此之間可以沒有關系。

1、數(shù)字邏輯實現(xiàn)

基本上，F(xiàn)PGA 允許放置下圖中所有這些較小的黑色芯片：

只需 1 個芯片，就可以立即使用新設計以任何想要的方式重新連接所有這些芯片。誠然，設計過程是......比較困難！

FPGA 擅長同時執(zhí)行多項任務，可以將該功能實現(xiàn)為單獨的數(shù)字邏輯，從最簡單的組合邏輯一直到復雜的 CPU 處理器。除了邏輯元件的數(shù)量和它們之間的互連之外，幾乎沒有什么限制。

2、高速率高帶寬數(shù)據(jù)處理

一個典型的例子：

FPGA 的一個典型示例是與圖像傳感器的接口：

看到頂部和底部有多達 32 個 LVDS 串行輸出。

LVDS信號是串行數(shù)據(jù)的一對差分線（用于獲得高速和抗噪性）。圖像數(shù)據(jù)將從每個LVDS對中輸出。

這種高速串行輸出數(shù)據(jù)的原因是為了讓整個圖像盡快從傳感器中取出，并進入后續(xù)處理階段（可能在FPGA中）。完成此操作的速度越快，幀速率就越高。如果想要一個能夠達到 120fps 幀速率的運動相機，那么就需要將整個幀數(shù)據(jù)輸出 - 在以 18 位分辨率模式運行時，此傳感器為單幀數(shù)據(jù)量為 12 MB - 每秒 120 幀，超過 2 GBytes/s 的數(shù)據(jù)量！

實現(xiàn)這一目標的一種方法是使用大量LVDS輸出，并將每個輸出分配給幀的特定部分。這基本上是“分而治之”。

問題在于，接收數(shù)據(jù)后需要重組這些LVDS數(shù)據(jù)，組成一個圖像傳感器的一幀數(shù)據(jù)。唯一可行的方法是在硬件中實現(xiàn)，因為：（a）沒有微控制器/處理器具有那么多串行LVDS，（b）即使有，處理負擔也會很大，并且可能永遠無法達到所需的幀速率。

這只是使用FPGA的一個“經(jīng)典”示例，它將來自每個LVDS輸入的所有數(shù)據(jù)重新組合到圖像的單個相干幀中。然而，它并沒有就此結束。后續(xù)的ISP處理等操作都可以在同一個FPGA中進行。

3、保證時間精確控制

FPGA的另一個重要用途：在需要“保證”響應的情況下，或者需要確定地滿足“硬”時序約束。實時控制系統(tǒng)的挑戰(zhàn)之一是保證實際上能夠滿足這些時間限制。

在大多數(shù)通過微處理器/微控制器上的順序編程實現(xiàn)的非平凡的控制系統(tǒng)中，有時主要“應用程序”會被中斷，要么是切換到其他輔助任務，要么是處理 I/O 中斷，尤其是需要大量計算資源且自身具有時序限制的現(xiàn)代通信協(xié)議。由于所有這些其他任務和職責都在爭奪 CPU 時間，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員已經(jīng)提出了幾種技術來應對這些挑戰(zhàn)，但是順序編程系統(tǒng)可以實現(xiàn)的功能是有限的。

FPGA 是專用電路、狀態(tài)機以及控制和數(shù)據(jù)流“編程”的絕佳解決方案，精度低至納秒級，幾乎沒有系統(tǒng)“錯過”事件或不符合設計時序約束的風險。

一個常見示例是通過多相電機或橋式整流器進行相位控制或PWM控制，或使用H橋晶體管驅動器配置時進行的。

在這些場景中，不僅可以以數(shù)十kHz甚至高達MHz的速度開關電源，而且還可能根據(jù)其他控制信號調制PWM - 可能是一組3個正弦波，用于三相對準，在這種情況下，需要相對PWM時序的精細分辨率。

在FPGA中實現(xiàn)這種控制可以滿足非常精細的時序約束。

4、其他

FPGA 還有無數(shù)其他用途。

就在我常用的一種工具-Saleae邏輯分析儀：

Xilinx Spartan 6 FPGA 執(zhí)行所有高速工作，捕獲其數(shù)字輸入的時間序列狀態(tài)，然后通過 USB 將其發(fā)送到PC。通過在 PC 上的分析來查找自己的數(shù)字電路設計中的錯誤。

數(shù)據(jù)中心：

在過去的幾年里，微軟、亞馬遜和谷歌在云服務器基礎設施中使用FPGA引起了很多關注，其中每個服務器都有一個FPGA，允許一些傳統(tǒng)上通過線性編程完成的計算任務，在專用的定制FPGA數(shù)字邏輯中完成。

這使得服務器可以相對快速且輕松地重新配置，以便針對在其上運行的特定應用程序進行優(yōu)化。這些應用程序可以是加密計算，或是OpenCV視覺算法，或是AI/ML推理，或是復雜的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包過濾，或者其他我們不知道的操作！

IC設計：

最后，F(xiàn)PGA 通常被用作原型設計的一種方式，該設計最終將被“鎖定”到自己的IC芯片設計中。

本文轉載自OpenFPGA公眾號