淺析FPGA的基本特點(diǎn)及應(yīng)用

FPGA的基本特點(diǎn)

1)采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路(專用集成電路)，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(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。

5) FPGA采用高速CMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。

可以說，FPGA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(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)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(shí)，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(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)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(dāng)需要修改FPGA功能時(shí)，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。

FPGA的應(yīng)用

1.電路設(shè)計(jì)中FPGA的應(yīng)用

連接邏輯，控制邏輯是FPGA早期發(fā)揮作用比較大的領(lǐng)域也是FPGA應(yīng)用的基石.事實(shí)上在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用FPGA的難度還是比較大的這要求開發(fā)者要具備相應(yīng)的硬件知識(shí)(電路知識(shí))和軟件應(yīng)用能力(開發(fā)工具)這方面的人才總是緊缺的，往往都從事新技術(shù)，新產(chǎn)品的開發(fā)成功的產(chǎn)品將變成市場(chǎng)主流基礎(chǔ)產(chǎn)品供產(chǎn)品設(shè)計(jì)者應(yīng)用在不遠(yuǎn)的將來，通用和專用IP的設(shè)計(jì)將成為一個(gè)熱門行業(yè)!搞電路設(shè)計(jì)的前提是必須要具備一定的硬件知識(shí).在這個(gè)層面，干重于學(xué)，當(dāng)然，快速入門是很重要的，越好的位子越不等人電路開發(fā)是黃金飯碗.

2.產(chǎn)品設(shè)計(jì)

把相對(duì)成熟的技術(shù)應(yīng)用到某些特定領(lǐng)域如通訊，視頻，信息處理等等開發(fā)出滿足行業(yè)需要并能被行業(yè)客戶接受的產(chǎn)品這方面主要是FPGA技術(shù)和專業(yè)技術(shù)的結(jié)合問題，另外還有就是與專業(yè)客戶的界面問題產(chǎn)品設(shè)計(jì)還包括專業(yè)工具類產(chǎn)品及民用產(chǎn)品，前者重點(diǎn)在性能，后者對(duì)價(jià)格敏感產(chǎn)品設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能為主要目的.

FPGA技術(shù)是一個(gè)實(shí)現(xiàn)手段在這個(gè)領(lǐng)域，F(xiàn)PGA因?yàn)榫邆浣涌?，控制，功能IP，內(nèi)嵌CPU等特點(diǎn)有條件實(shí)現(xiàn)一個(gè)構(gòu)造簡(jiǎn)單，固化程度高，功能全面的系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)將是FPGA技術(shù)應(yīng)用最廣大的市場(chǎng)，具有極大的爆發(fā)性的需求空間產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)技術(shù)人員的要求比較高，路途也比較漫長(zhǎng)不過現(xiàn)在整個(gè)行業(yè)正處在組建"首發(fā)團(tuán)隊(duì)"的狀態(tài)，只要加入，前途光明產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一種職業(yè)發(fā)展方向定位，不是簡(jiǎn)單的愛好就能做到的!產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域會(huì)造就大量的企業(yè)和企業(yè)家，是一個(gè)近期的發(fā)展熱點(diǎn)和機(jī)遇

3.系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用

系統(tǒng)級(jí)的應(yīng)用是FPGA與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)一種FPGA版的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)如用Xilinx　V-4, V-5系列的FPGA，實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌POWER　PC　CPU, 然后再配合各種外圍功能，實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本環(huán)境，在這個(gè)平臺(tái)上跑LINUX等系統(tǒng)這個(gè)系統(tǒng)也就支持各種標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和功能接口(如圖象接口)了這對(duì)于快速構(gòu)成FPGA大型系統(tǒng)來講是很有幫助的。這種"山寨"味很濃的系統(tǒng)早期優(yōu)勢(shì)不一定很明顯，類似ARM系統(tǒng)的境況但若能慢慢發(fā)揮出FPGA的優(yōu)勢(shì)，逐漸實(shí)現(xiàn)一些特色系統(tǒng)也是一種發(fā)展方向。

若在系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用中，開發(fā)人員不具備系統(tǒng)的擴(kuò)充開發(fā)能力，只是搞搞編程是沒什么意義的，當(dāng)然設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)是另一種情況，搞系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用看似起點(diǎn)高，但不具備深層開發(fā)能力，很可能會(huì)變成愛好者，就如很多人會(huì)做網(wǎng)頁但不能稱做會(huì)編程類似以上是幾點(diǎn)個(gè)人開發(fā)，希望能幫助想學(xué)FPGA但很茫然無措的人理一理思路。這是一個(gè)不錯(cuò)的行業(yè)，有很好的個(gè)人成功機(jī)會(huì)。但也肯定是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)很激烈的行業(yè)，關(guān)鍵看的就是速度和深度當(dāng)然還有市場(chǎng)適應(yīng)能力。

4.最新應(yīng)用

北京時(shí)間2010年12月30日消息，美英兩國(guó)科學(xué)家聯(lián)合開發(fā)了一款運(yùn)算速度超快的電腦芯片，使當(dāng)前臺(tái)式機(jī)的運(yùn)算能力提升20倍。當(dāng)前的個(gè)人電腦使用雙核、4核、16核處理器來執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)。如今，美英研究人員開發(fā)的中央處理器(CPU)將1000個(gè)內(nèi)核有效集成于一個(gè)芯片上。這項(xiàng)突破或?qū)⒃诮窈髱啄觊_啟一個(gè)超高速運(yùn)算的新時(shí)代，使家庭用戶不再對(duì)運(yùn)行緩慢的電腦系統(tǒng)感到沮喪。雖然速度更快，但由于新型“超級(jí)”電腦的能耗遠(yuǎn)低于當(dāng)前電腦，所以更加環(huán)保。

研究人員采用了一種名為“現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列”(以下簡(jiǎn)稱“FPGA”)的芯片，使得微晶片就像都含有數(shù)百萬個(gè)晶體管一樣，而晶體管則是任何電路的基本組成部分。不過，F(xiàn)PGA芯片可由用戶安裝到特定電路，它們的功能不是在出廠時(shí)就設(shè)定好的。這樣一來，用戶可以將晶體管劃分成一個(gè)個(gè)“小群體”，要求每個(gè)“小群體”完成不同的任務(wù)。通過在FPGA芯片內(nèi)創(chuàng)建逾1000個(gè)微電路，研究人員便將這個(gè)芯片變成了1000個(gè)內(nèi)核的處理器——每個(gè)內(nèi)核都可以遵照自己的指令工作。在測(cè)試中，F(xiàn)PGA芯片每秒能處理5GB的數(shù)據(jù)，處理速度大概相當(dāng)于當(dāng)前臺(tái)式機(jī)的20倍。這項(xiàng)研究由英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的韋姆·范德堡韋德(Wim Vanderbauwhede)博士和美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)盧維爾分校的同行共同實(shí)施。

范德堡韋德說：“FPGA芯片沒有應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)電腦上，原因是對(duì)FPGA芯片編程相當(dāng)困難。FPGA芯片的處理能力強(qiáng)大，由于速度更快，能耗相當(dāng)?shù)停俏覀兏鼮榄h(huán)保的選擇。”雖然當(dāng)前市場(chǎng)上銷售的電腦大多數(shù)內(nèi)核超過一個(gè)，可以同時(shí)實(shí)施不同任務(wù)，但傳統(tǒng)多核處理器只能共用一個(gè)存儲(chǔ)源，這降低了運(yùn)算速度。范德堡韋德的研究團(tuán)隊(duì)給每個(gè)內(nèi)核分配一定量的專用存儲(chǔ)空間，從而加快了處理器的運(yùn)算速度。

一名用戶坐在運(yùn)算速度很慢的臺(tái)式機(jī)前面，看上去一籌莫展。在測(cè)試中，F(xiàn)PGA芯片每秒能處理5GB的數(shù)據(jù)，處理速度大概相當(dāng)于當(dāng)前臺(tái)式機(jī)的20倍

范德堡韋德博士說：“這只是初期概念驗(yàn)證研究，我們?cè)噲D展示對(duì)FPGA編程的便捷方式，令其超高速處理的潛力可以更為廣泛地應(yīng)用于未來的運(yùn)算器和電子設(shè)備上。雖然現(xiàn)有許多技術(shù)充分使用FPGA芯片，如等離子電視、液晶電視和電腦網(wǎng)絡(luò)路由器，但它們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)臺(tái)式機(jī)上的應(yīng)用卻十分有限。”

“但是，我們看到，包括英特爾和ARM在內(nèi)的一些廠商已經(jīng)宣布將開發(fā)集成傳統(tǒng)CPU與FPGA芯片的微晶片。我認(rèn)為此類處理器會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用，有助于在今后幾年進(jìn)一步提升電腦運(yùn)算速度。”范德堡韋德希望在2011年3月應(yīng)用重構(gòu)運(yùn)算國(guó)際研討會(huì)上詳細(xì)介紹他的研究發(fā)現(xiàn)。