FPGA的數(shù)字時鐘電路解析

FPGA?是什么

FPGA（Field Programmable Gate Array），現(xiàn)場可編程門陣列，一種半定制的數(shù)字集成電路。FPGA 憑借其靈活性高、開發(fā)周期短、處理性能強（并行）等特點，廣泛應用于通信、圖像處理、醫(yī)療等領域。隨著科技的進步，F(xiàn)PGA 在人工智能、5G 和自動駕駛等領域也有一席之地。

FPGA 它是在 PAL、GAL、CPLD 等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是 作為專用集成電路（ASIC）領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個數(shù)有限的缺點。

比如用面包板搭建數(shù)字時鐘電路；雖然電路是一個數(shù)字時鐘，里面有晶振、蜂鳴器、數(shù)碼管，以及各種 74 系列的小芯片，這些小芯片能夠實現(xiàn)的功能也就相當于幾個邏輯門，如果你親自動手去搭建它，肯定會知道搭建該電路是非常麻煩的，一根線一根線去連接，不斷對照原理圖，生怕搭錯一根線，搞不好心態(tài)就崩了。

這僅僅是搭建一個簡單的數(shù)字時鐘就這么多跟線了。如果我們想要實現(xiàn)更加復雜的功能，那么我們就要犯難了，因為我們需要使用幾十個或者上百個這種專用小芯片來完成，這樣就會使得電路板的布局、布線變得困難，還會極大的影響到整個系統(tǒng)的性能，而且搭出來的電路體積龐大，也不美觀，實用性極差，所以這種方式毫無疑問是不行的。

為了改變這種情況，大家就想到了一個辦法，那就是通過專用集成電路（ASIC）來實現(xiàn)，我們可以將要實現(xiàn)的特定需求交給 ASIC 廠商，讓他們設計出一個專用集成電路芯片，這樣就可以解決這種問題了。

比如說，我們把數(shù)字時鐘功能要求交給 ASIC 廠商，ASIC 廠商就會根據(jù)數(shù)字時鐘功能要求設計出一個專用集成電路芯片，這一個小小的芯片它其實就完成了我們數(shù)字時鐘電路功能。這種方法雖然很好，但同時也會帶來很多其他的問題，比如說，生成周期長，芯片難驗證，芯片內(nèi)部電路不可以更改等等問題。于是人們就開始不斷地去探索，看看有沒有什么辦法既能讓我很好的實現(xiàn)功能，又能解決定制電路的不足。

于是 FPGA 應運而生，于 1985 年由 Xilinx 創(chuàng)始人之一 Ross Freeman 發(fā)明，屬于可編程邏輯器件 PLD（Programmable Logic Device）的一種。

Xilinx A7 系列 FPGA 芯片

真正意義上的第一顆 FPGA 芯片 XC2064 為 Xilinx 所發(fā)明，這個時間差不多比著名的摩爾定律晚 20 年左右，但是 FPGA 一經(jīng)問世，后續(xù)的發(fā)展速度之快，超出大多數(shù)人的想象。

我們要知道一塊專用的 ASIC 定制集成電路的芯片他在出廠前功能就已經(jīng)定死了，就拿上面的數(shù)字時鐘來舉例，假如我現(xiàn)在拿到一塊全新的數(shù)字時鐘芯片，那么我只需要看看廠家給我提供的數(shù)據(jù)手冊，看看它是怎么操作的，可能僅僅只需要給它通上電然后簡單的配置一下它就能工作了。

它的功能是不可更改的，就只能跑個數(shù)字時鐘，而且它內(nèi)部電路是啥樣的我也不知道，雖然用起來簡單，但是缺乏靈活性，但 FPGA 就不一樣了，它在出廠的那一刻是不具備任何功能的，可以說就是一張白紙。你可以在這張白紙上肆意創(chuàng)作，你想要它實現(xiàn)數(shù)字時鐘的功能沒問題，通過特定的編輯語言，例如 Verilog、VHDL 等硬件描述語言將數(shù)字時鐘的邏輯編寫好，下載到 FPGA 內(nèi)部，它就會生成一個數(shù)字時鐘的電路，去完成數(shù)字時鐘的功能。當你不想要這個功能了，沒問題你可以隨時將內(nèi)部程序擦除，或者用一個新的設計去覆蓋原有的設計。理論上我們可以用 FPGA 去生成一個任意我們想要的功能，正是基于這種強大的可編輯能力，F(xiàn)PGA 近年來越來越受到市場的認可，在未來 FPGA 的適用范圍必將越來越廣闊。

FPGA 有什么用

FPGA 所能應用的領域大概可以分成六大類：

1）通信領域

FPGA 在通信領域的應用可以說是無所不能，得益于 FPGA 內(nèi)部結構的特點，它可以很容易地實現(xiàn)分布式的算法結構，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。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)分布式的算術結構，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：

(1)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)。

(2)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)部相應的背板協(xié)議(OBSAI、CPRI、EMIF、LinkPort)的實現(xiàn)。

(3)RF 應用資源

RF 應用主要包括調(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)以及預失真(Predistortion)等關鍵技術的實現(xiàn)。

總而言之只要你 FPGA 學的好，在通信領域你絕對可以大展身手。

2）數(shù)字信號處理領域

在數(shù)字信號處理領域 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)字濾波這樣重復性的數(shù)字信號處理任務，對于高速并行的數(shù)字信號處理任務來說，F(xiàn)PGA 性能遠遠超過通用 DSP 處理器的串行執(zhí)行架構，還有就是它接口的電壓和驅動能力都是可編程配置的不像傳統(tǒng)的 DSP 需要受指令集控制，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)字信號處理領域 FPGA 的應用也是十分廣泛的。

3）視頻圖像處理領域

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， 像以前的標清（SD）慢慢演變成高清（HD），到現(xiàn)在人們更是追求藍光品質的圖像。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）高速接口設計領域

其實看了 FPGA 在通信領域和數(shù)字信號處理領域的表現(xiàn)，我想大家也已應該猜 到了在高速接口設計領域，F(xiàn)PGA 必然也是有一席之地的。它的高速處理能力和多達成百上千個的 IO 決定了它在高速接口設計領域的獨特優(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，或者將處理后的結果傳給 PC 機進行顯示。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)的做法是對應的接口使用對應的接口芯片，例如 PCI 接口芯片，當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變得復雜，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手。

5）人工智能領域

如果大家比較喜歡關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行采集，需要用到多種傳感器，對這些傳感器進行綜合驅動和融合處理就可以使用 FPGA。還有一些智能機器人，需要對圖像進行采集和處理，或者對聲音信號進行處理都可以使用 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手。

6）IC?驗證領域

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 設計更是一些神人才能勝任的工作。不可否認的是 IC 設計門檻確實比較高，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 如果設計廢了大不了重新設計再打樣也不會造成太大損失，但是如果 IC 設計廢了再重新設計那損失就很慘重了，俗話說大炮一開，黃金萬兩，那么在 IC 領域***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 設計都要強調(diào)一版成功。保證 IC 一版成功就要進行充分的仿真測試和 FPGA 驗證，仿真驗證是在服務器上面跑仿真軟件進行測試，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 驗證板上面進行驗證，對于復雜的 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 設計人員去驗證自己的 IC 設計。

FPGA 的生產(chǎn)廠商

兩大巨頭：Xilinx 和 Altera。

一群小弟：紫光同創(chuàng)、京微雅格、高云半導體、上海安路、西安智多晶等，同國外領先廠商相比，國產(chǎn) FPGA 廠商不論從產(chǎn)品性能、功耗、功能上都有較大差距。

ZYNQ

ZYNQ = FPGA + ARM 核，可以自己定制電路，同時還可以做普通的嵌入式開發(fā)。

Zynq-7000 系列是 Xilinx 公司推出的全可編程片上系統(tǒng)，包含 PS（Processing System，處理器系統(tǒng)）和 PL（Programmable Logic，可編程邏輯）兩部分。Zynq SoC 整合了ARM 雙核 cortex-A9 處理器和 Xilinx 7 系列 FPGA 架構，使得它不僅擁有 ASIC 在能耗、性能和兼容性方面的優(yōu)勢，而且具有 FPGA 硬件可編程性的優(yōu)點。

PYNQ：Python Productivity for Zynq = Python + ZYNQ，是 Xilinx 推出的一種開放源代碼框架，使用 Python 語言和庫，使設計人員可以利用 zynq 中可編程邏輯和微處理器的優(yōu)勢來快速構建高性能的嵌入式應用程序。

補充

PLD：Programmable Logic Device，可編程邏輯器件。

SoC：System on Chip，片上系統(tǒng)。

審核編輯：黃飛

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