FPGA 是什么

FPGA（现场可编程门阵列），现场可编程门阵列是一种半定制的数字集成电路。 FPGA因其灵活性高、开发周期短、处理性能（并行性）强等优点，被广泛应用于通信、图像处理、医学等领域。随着技术的进步，FPGA还将在人工智能、5G、自动驾驶等领域发挥作用。

FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的。它作为专用集成电路（ASIC）领域的半定制电路而出现，不仅解决了定制电路的缺点，而且克服了原有可编程器件门电路数量有限的缺点。

用于构建数字时钟电路的面包板

从照片中可以看出，该电路是一个数字时钟，包括晶振、蜂鸣器、数码管以及各种74系列小芯片。这些小芯片所能完成的功能相当于一些逻辑。你会明白，如果你自己制作门，制作电路是非常麻烦的。为了避免接线错误，你必须将电线一根一根地连接起来，并不断地与原理图进行比较。而我的精神也会崩溃。

请考虑一下。这是为了构建一个简单的数字时钟。这么多的电线挤在一起，看起来非常复杂。如果想要实现更复杂的功能，就需要使用数十甚至数百个这样的小型专用芯片，这也使得电路板布局和布线变得困难和困难。这种方法肯定不可行，因为会降低系统整体性能，而且搭建的电路又大又不美观，非常不切实际。

大家都想出了办法来改变这种状况。它是通过专用集成电路(ASIC) 实现的，您可以将想要实现的特定需求交给ASIC 制造商，并让他们设计专用电路。集成电路芯片解决了这个问题。例如，您将数字时钟功能需求交给ASIC制造商，ASIC制造商根据您的数字时钟功能需求设计专用集成电路芯片。这个微小的芯片实际上完成了数字时钟电路的功能。这种方法虽然好，但是存在很多问题，例如生成周期长、芯片验证困难、无法改变芯片内部电路等。于是人们开始不断寻找更好的实现功能的方法，同时解决定制电路的缺点。

Xilinx A7系列FPGA芯片

那么FPGA是由Xilinx创始人之一Ross Freeman于1985年发明的。它是一种可编程逻辑器件（PLD）。

第一个真正的FPGA 芯片XC2064 是Xilinx 比著名的摩尔定律晚了近20 年才发明的。然而，FPGA一经推出，后续的发展速度就超出了大多数人的想象。

要知道专用ASIC定制集成电路芯片的功能在出厂前就已确定。以上面的数字时钟为例，现在如果你得到一个全新的数字时钟芯片，你所需要做的就是检查它。根据制造商提供的数据表，您所需要做的就是将其打开并设置为工作，看看它是如何工作的。功能无法更改，只有数字时钟运行，而且我们不知道内部电路是什么，但使用起来很方便，但缺乏灵活性，但工厂FPGA不同。到那时，它就没有任何功能，可以被认为是一张白纸。如果想要实现数字时钟的功能，可以使用特定的编辑语言如Verilog、VHDL或其他硬件描述来编写数字时钟的逻辑。输入语言并下载到FPGA后，生成数字时钟电路，完成数字时钟的功能。如果您不再需要此功能，您可以随时擦除内部程序或用新程序覆盖原始设计。理论上来说，FPGA可以用来生成任意函数，因此近年来FPGA在市场上得到了越来越多的认可，未来其应用范围也将不断扩大。更宽敞。

FPGA 有什么用

FPGA 应用大致可分为六类。

1）通信领域

FPGA在通信领域的应用可以说是多才多艺。 FPGA的内部结构特性有利于分布式算法结构的实现，这对于实现高速数字信号处理至关重要。这对于无线通信是有利的。这是因为，在无线通信系统中，许多功能模块通常需要大量的滤波运算，而这些滤波功能往往需要大量的乘法和累加运算。这些乘法和累加运算可以通过FPGA实现分布式算术结构来有效地实现。特别是，Xilinx FPGA 集成了众多适合通信领域的资源，包括三类：基带处理（通道卡）、接口和连接功能以及RF（射频卡）。

(1)基带处理资源

基带处理主要包括信道编解码（LDPC、Turbo、卷积码、RS码编解码算法）、同步算法的实现（如WCDMA系统小区搜索）。

(2)接口和连接资源

接口和连接功能主要包括无线基站外部高速通信接口（PCI Express、以太网MAC、高速AD/DA接口）和相应内部背板协议（OBSAI、CPRI、EMIF、LinkPort）的实现。将。

(3)射频应用资源

RF应用主要包括调制/解调、上/下变频（用于WiMAX、WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000系统的单通道、多通道DDC/DUC）、削峰（PC-CFR）和预失真（Pre Distortion）。已经包括了。技术实施。

也就是说，如果你学好FPGA，你绝对可以在通信领域展现你的才华。

2）数字信号处理领域

FPGA 在数字信号处理领域也是无与伦比的，这主要归功于其高速并行处理能力。 FPGA最大的优势在于其并行处理机制，采用并行架构来实现数字信号处理功能。这种并行机制使得FPGA特别适合执行重复性数字信号处理任务，例如FIR等数字滤波，而对于高速并行数字信号处理任务，FPGA的性能可与通用DSP的串行执行架构相媲美处理器远远超过。接口电压和驱动能力是可编程和可配置的。与必须由指令集控制的传统DSP不同，指令集的时钟周期限制阻止它们处理太快的信号。具有Gbps 速率级别的LVDS 难以处理级别信号。因此，FPGA在数字信号处理领域的应用也非常广泛。

3）视频图像处理领域

随着时代的变迁，人们对图像稳定性、清晰度、亮度、色彩的追求也越来越精致。例如，以前的标清（SD）正在逐渐演变为高清（HD）。我们追求蓝光品质的图像质量。由此，处理芯片实时处理的数据量增加，图像压缩算法也变得更加复杂，使得仅靠ASSP和DSP已经无法完成大量的数据处理。目前，由于图像处理领域的成本考虑，FPGA在市场上越来越受欢迎，因为它们可以更高效地处理数据。

4）高速接口设计领域

事实上，从FPGA 在通信和数字信号处理方面的性能来看，人们会猜测FPGA 也可以在高速接口设计中发挥作用。其高速处理能力和数十万个IO决定了其在高速接口设计领域的独特优势。例如，它可能需要与PC交互以获取数据，将收集到的数据发送到PC进行处理，或者将处理结果发送到PC进行显示。 PC 具有丰富的接口用于与外部系统通信，包括ISA、PCI、PCI Express、PS/2 和USB。传统的做法是使用相应的接口芯片，例如PCI接口芯片。这无疑使得硬件外设更加复杂和不方便。然而，使用FPGA，您可以在FPGA 内实现各种接口逻辑，从而无需那么多接口芯片并允许进行更多数据处理。方便。

5）人工智能领域

如果您喜欢了解技术领域的新闻，您最近可能听到很多有关5G 通信和人工智能的讨论。事实上，不知不觉间，21世纪已经来到了2020年。人工智能在过去20年里得到了快速发展。 5G也取得了成功，而且随着研发，人工智能也越来越强大，预计人工智能将主宰未来。 FPGA还广泛应用于人工智能系统的前端部分，例如在自动驾驶中，需要收集行驶路线、红绿灯、封路、行驶速度等各种信号。 FPGA 可用于驱动器和融合处理以集成这些传感器。一些智能机器人需要图像采集和处理或者音频信号处理，这些都可以使用FPGA来完成，使得在人工智能系统中可以很容易地使用FPGA进行前端信息处理。

6）IC 验证领域

当你听到IC这个词时，你可能会觉得它很深奥，非常人所能企及，但IC设计是一项只有上帝才能做的工作。不可否认，IC 设计相对昂贵，但也没有必要把它想得太神秘。简而言之，PCB 设计可以比作在印刷电路上构建组件。将具有特定功能的电路组合起来，IC设计是利用硅基基板上的MOS管和PN节点，将具有特定功能的电路（一宏一微）组合起来构建。如果您重新设计和重新制作原型，废弃的PCB 设计不会花费太多，但一旦发射大炮，废弃和重新设计IC 设计就会花费更多。有一千两黄金，那么在IC领域，如果你开一台光刻机，就值一千两。光刻胶非常昂贵，模压光刻胶也不便宜。人力资源、物力、机械的损失以及机器维护等其他流程都是痛苦的，因此IC设计必须关注第一个版本的成功。确保IC 第一个版本的成功需要彻底的模拟测试和FPGA 验证。仿真验证主要涉及在服务器上运行IC代码进行测试，以及ModelSim/VCS软件。使用FPGA 和FPGA 综合该工具执行综合、布局和布线以生成最终位文件，该文件被下载到FPGA 验证板进行验证。对于复杂的IC，还可以将其拆分成几个功能部分进行验证。将各个功能模块放置在FPGA上。 FPGA 制作的电路非常接近真实的IC 芯片。这使得我们的IC 设计人员更容易验证他们的IC 设计。

FPGA 的生产厂商

两大巨头：Xilinx和Altera。

初级组：紫光展锐、经纬雅歌、高云半导体、上海安陆、西安智聚等。与国外主要厂商相比，国内FPGA厂商在性能、功耗、功能等方面存在较大差异。

使用

ZYNQ

ZYNQ=FPGA + ARM内核，您可以自行定制电路或进行常规嵌入式开发。

PYNQ：Zynq 上的Python 生产力

PYNQ=Python + ZYNQ 是Xilinx 推出的开源框架，它使用Python 语言和库，使设计人员能够利用zynq 的可编程逻辑和微处理器来快速构建高性能嵌入式应用程序。

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