FPGA到底是什么？FPGA有哪些優(yōu)勢

現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）技術(shù)不斷呈現增長(cháng)勢頭。 1984年Xilinx剛剛創(chuàng )造出FPGA時(shí)，它還是簡(jiǎn)單的膠合邏輯芯片，而如今在信號處理和控制應用中，它已經(jīng)取代了自定制專(zhuān)用集成電路（ASIC）和處理器。 這項技術(shù)的成功之處到底在哪里？ 本文將主要介紹FPGA，并著(zhù)重描述FPGA的獨特優(yōu)勢。

1. 什么是FPGA？

在最高層面上，FPGA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(xiàn)資源，用戶(hù)無(wú)需再使用電路試驗板或烙鐵，就能配置這些芯片來(lái)實(shí)現自定義硬件功能。 用戶(hù)在軟件中開(kāi)發(fā)數字計算任務(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，FPGA可完全可重配置，當用戶(hù)在重新編譯不同的電路配置時(shí)，能夠當即呈現全新的特性。 過(guò)去，只有熟知數字硬件設計的工程師懂得使用FPGA技術(shù)。 然而，高層次設計工具的興起正在改變FPGA編程的方式，其中的新興技術(shù)能夠將圖形化程序框圖、甚至是C代碼轉換成數字硬件電路。

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的最大優(yōu)勢。 FPGA能夠提供硬件定時(shí)的速度和穩定性，且無(wú)需類(lèi)似自定制ASIC設計的巨額前期費用的大規模投入。 可重新編程的硅芯片的靈活性與在基于處理器的系統上運行的軟件相當，但它并不受可用處理器內核數量的限制。與處理器不同的是，FPGA屬于真正的并行實(shí)行，因此不同的處理操作無(wú)需競爭相同的資源。 每個(gè)獨立的處理任務(wù)都配有專(zhuān)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(shí)，其它應用性能也不會(huì )受到影響。

2. FPGA技術(shù)的五大優(yōu)勢

性能、上市時(shí)間、成本、穩定性、長(cháng)期維護

性能— 

利用硬件并行的優(yōu)勢，FPGA打破了順序執行的模式，在每個(gè)時(shí)鐘周期內完成更多的處理任務(wù)，超越了數字信號處理器（DSP）的運算能力。 著(zhù)名的分析與基準測試公司BDTI，發(fā)布基準表明在某些應用方面，FPGA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(mǎn)足應用需求提供了更快速的響應時(shí)間和專(zhuān)業(yè)化的功能。

成本—

 自定制ASIC設計的非經(jīng)常性工程（NRE）費用遠遠超過(guò)基于FPGA的硬件解決方案所產(chǎn)生的費用。 ASIC設計初期的巨大投資表明了原始設備制造商每年需要運輸數千種芯片，但更多的最終用戶(hù)需要的是自定義硬件功能，從而實(shí)現數十至數百種系統的開(kāi)發(fā)?？删幊绦酒奶匦砸馕吨?zhù)用戶(hù)可以節省制造成本以及漫長(cháng)的交貨組裝時(shí)間。 系統的需求時(shí)時(shí)都會(huì )發(fā)生改變，但改變FPGA設計所產(chǎn)生的成本相對ASCI的巨額費用來(lái)說(shuō)是微不足道的。

穩定性— 

軟件工具提供了編程環(huán)境，FPGA電路是真正的編程“硬”執行過(guò)程。 基于處理器的系統往往包含了多個(gè)抽象層，可在多個(gè)進(jìn)程之間計劃任務(wù)、共享資源。 驅動(dòng)層控制著(zhù)硬件資源，而操作系統管理內存和處理器的帶寬。對于任何給定的處理器內核，一次只能執行一個(gè)指令，且基于處理器的系統時(shí)刻面臨著(zhù)嚴格限時(shí)的任務(wù)相互取占的風(fēng)險。 而FPGA不使用操作系統，擁有真正的并行執行和專(zhuān)注于每一項任務(wù)的確定性硬件，可減少穩定性方面出現問(wèn)題的可能。

長(cháng)期維護—

 正如上文所提到的， FPGA芯片是現場(chǎng)可升級的，無(wú)需重新設計ASIC所涉及的時(shí)間與費用投入。 舉例來(lái)說(shuō)，數字通信協(xié)議包含了可隨時(shí)間改變的規范，而基于ASIC的接口可能會(huì )造成維護和向前兼容方面的困難?？芍匦屡渲玫?/span>FPGA芯片能夠適應未來(lái)需要作出的修改。 隨著(zhù)產(chǎn)品或系統成熟起來(lái)，用戶(hù)無(wú)需花費時(shí)間重新設計硬件或修改電路板布局就能增強功能。

3總結

較高級別的工具不斷改進(jìn)，為各個(gè)專(zhuān)業(yè)水平的工程師和科學(xué)家帶來(lái)可重新編程的硅芯片，FPGA技術(shù)的采用也越來(lái)越為廣泛。

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