FPGA(Field-Programmable Gate Array),即現(xiàn)場可編程門陣列,它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的,既解決了定制電路的不足,又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。那么這項技術(shù)的獨特的優(yōu)勢在哪里?下面我們就來介紹FPGA,一起了解FPGA的優(yōu)勢。
1、什么是FPGA?
在最高層面上,F(xiàn)PGA是可重新編程的硅芯片。使用預建的邏輯塊和可重新編程布線資源,用戶無需再使用電路試驗板或烙鐵,就能配置這些芯片來實現(xiàn)自定義硬件功能。用戶在軟件中開發(fā)數(shù)字計算任務(wù),并將它們編譯成配置文件或比特流,其中包含元器件相互連接的信息。此外,F(xiàn)PGA可完全可重配置,當用戶在重新編譯不同的電路配置時,能夠當即呈現(xiàn)全新的特性。過去,只有熟知數(shù)字硬件設(shè)計的工程師懂得使用FPGA技術(shù)。然而,高層次設(shè)計工具的興起正在改變FPGA編程的方式,其中的新興技術(shù)能夠?qū)D形化程序框圖、甚至是C代碼轉(zhuǎn)換成數(shù)字硬件電路。
各行各業(yè)紛紛采用FPGA芯片是源于FPGA融合了ASIC和基于處理器的系統(tǒng)的最大優(yōu)勢。FPGA能夠提供硬件定時的速度和穩(wěn)定性,且無需類似自定制ASIC設(shè)計的巨額前期費用的大規(guī)模投入??芍匦戮幊痰墓栊酒撵`活性與在基于處理器的系統(tǒng)上運行的軟件相當,但它并不受可用處理器內(nèi)核數(shù)量的限制。與處理器不同的是,F(xiàn)PGA屬于真正的并行實行,因此不同的處理操作無需競爭相同的資源。每個獨立的處理任務(wù)都配有專用的芯片部分,能在不受其它邏輯塊的影響下自主運作。因此,添加更多處理任務(wù)時,其它應(yīng)用性能也不會受到影響。
2、FPGA工作原理
FPGA采用了邏輯單元陣列LCA(Logic Cell Array)這樣一個概念,內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB(Configurable Logic Block)、輸出輸入模塊IOB(Input Output Block)和內(nèi)部連線(Interconnect)三個部分。
3、FPGA的基本特點
1)采用FPGA設(shè)計ASIC電路(特定用途集成電路),用戶不需要投片生產(chǎn),就能得到合用的芯片。
2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。
3)FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。
4)FPGA是ASIC電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風險最小的器件之一。
5) FPGA采用高速CHMOS工藝,功耗低,可以與CMOS、TTL電平兼容。
可以說,F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。
FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的,因此,工作時需要對片內(nèi)的RAM進行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式,采用不同的編程方式。
加電時,F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中,配置完成后,F(xiàn)PGA進入工作狀態(tài)。掉電后,F(xiàn)PGA恢復成白片,內(nèi)部邏輯關(guān)系消失,因此,F(xiàn)PGA能夠反復使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器,只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當需要修改FPGA功能時,只需換一片EPROM即可。這樣,同一片F(xiàn)PGA,不同的編程數(shù)據(jù),可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此,F(xiàn)PGA的使用非常靈活。
4、FPGA技術(shù)的五大優(yōu)勢
1)性能
利用硬件并行的優(yōu)勢,F(xiàn)PGA打破了順序執(zhí)行的模式,在每個時鐘周期內(nèi)完成更多的處理任務(wù),超越了數(shù)字信號處理器(DSP)的運算能力。著名的分析與基準測試公司BDTI,發(fā)布基準表明在某些應(yīng)用方面,F(xiàn)PGA每美元的處理能力是DSP解決方案的多倍。2在硬件層面控制輸入和輸出(I/ O)為滿足應(yīng)用需求提供了更快速的響應(yīng)時間和專業(yè)化的功能。
2)上市時間
盡管上市的限制條件越來越多,F(xiàn)PGA技術(shù)仍提供了靈活性和快速原型的能力。用戶可以測試一個想法或概念,并在硬件中完成驗證,而無需經(jīng)過自定制ASIC設(shè)計漫長的制造過程。3由此用戶就可在數(shù)小時內(nèi)完成逐步的修改并進行FPGA設(shè)計迭代,省去了幾周的時間。商用現(xiàn)成(COTS)硬件可提供連接至用戶可編程FPGA芯片的不同類型的I/O。高層次的軟件工具的日益普及降低了學習曲線與抽象層,并經(jīng)常提供有用的IP核(預置功能)來實現(xiàn)高級控制與信號處理。
3)成本
自定制ASIC設(shè)計的非經(jīng)常性工程(NRE)費用遠遠超過基于FPGA的硬件解決方案所產(chǎn)生的費用。ASIC設(shè)計初期的巨大投資表明了原始設(shè)備制造商每年需要運輸數(shù)千種芯片,但更多的最終用戶需要的是自定義硬件功能,從而實現(xiàn)數(shù)十至數(shù)百種系統(tǒng)的開發(fā)??删幊绦酒奶匦砸馕吨脩艨梢怨?jié)省制造成本以及漫長的交貨組裝時間。系統(tǒng)的需求時時都會發(fā)生改變,但改變FPGA設(shè)計所產(chǎn)生的成本相對ASCI的巨額費用來說是微不足道的。
4)穩(wěn)定性
軟件工具提供了編程環(huán)境,F(xiàn)PGA電路是真正的編程“硬”執(zhí)行過程?;谔幚砥鞯南到y(tǒng)往往包含了多個抽象層,可在多個進程之間計劃任務(wù)、共享資源。驅(qū)動層控制著硬件資源,而操作系統(tǒng)管理內(nèi)存和處理器的帶寬。對于任何給定的處理器內(nèi)核,一次只能執(zhí)行一個指令,且基于處理器的系統(tǒng)時刻面臨著嚴格限時的任務(wù)相互取占的風險。而FPGA不使用操作系統(tǒng),擁有真正的并行執(zhí)行和專注于每一項任務(wù)的確定性硬件,可減少穩(wěn)定性方面出現(xiàn)問題的可能。
5)長期維護
正如上文所提到的, FPGA芯片是現(xiàn)場可升級的,無需重新設(shè)計ASIC所涉及的時間與費用投入。舉例來說,數(shù)字通信協(xié)議包含了可隨時間改變的規(guī)范,而基于ASIC的接口可能會造成維護和向前兼容方面的困難。可重新配置的FPGA芯片能夠適應(yīng)未來需要作出的修改。隨著產(chǎn)品或系統(tǒng)成熟起來,用戶無需花費時間重新設(shè)計硬件或修改電路板布局就能增強功能。
5、FPGA的應(yīng)用
微處理器是為通用而設(shè)計的,必須按照時鐘的節(jié)拍,逐條取指、譯指、執(zhí)行,大多用于低速、實時性要求不高的場合,例如石油探測;FPGA 應(yīng)用場合相當多,特別是在高速的、實時性強并對時間要求相當苛刻的場合,有很強的數(shù)據(jù)處理能力,例如無線通信、雷達探測等;是FPGA的一些典型應(yīng)用:
典型應(yīng)用一:接口邏輯控制--提供前所未有的靈活性
1)PCI、PCI Express、PS/2、USB等接口控制器
2)SDRAM、DDR、SDRAM、QDR、SRAM、NAND flash、NOR Flash等接口控制器
3)電平轉(zhuǎn)換,LVDS、TTL、COMS、SSTL等
典型應(yīng)用二:高速的數(shù)字信號處理--提供前所未有的計算能力
1)無線通信領(lǐng)域,如軟件無線電(SDR);
2)視頻圖像處理領(lǐng)域,如高清晰數(shù)字電視(HDTV);
3)軍事和航空航天領(lǐng)域,如雷達聲納、安全通信。
其他應(yīng)用領(lǐng)域
1)汽車,如網(wǎng)關(guān)控制器、車用PC、遠程信息處理系統(tǒng)等;
2)消費產(chǎn)品,如顯示器/投影儀、數(shù)字電視和機頂盒、家庭網(wǎng)絡(luò)等;
3)醫(yī)療,如電療、血液分析儀、醫(yī)療檢測設(shè)備等
4)通信設(shè)備 ,如蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施、寬帶無線通信、軟件無線電等
5)測試與測量,如通信測試與監(jiān)測、半導體、自動測試設(shè)備、通用儀表等。
FPGA技術(shù)的采用也越來越為廣泛,不管你是一名邏輯設(shè)計師、硬件工程師或系統(tǒng)工程師,甚或擁有所有這些頭銜,只要你在任何一種高速和多協(xié)議的復雜系統(tǒng)中使用了FPGA,你就很可能需要努力解決好器件配置、電源管理、IP集成、信號完整性和其他的一些關(guān)鍵設(shè)計問題,那就要認真了解FPGA技術(shù)啦!
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