FPGA 介绍（1）

1、FPGA简介

1、FPGA(Field Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列，它是一种半制定的数字集成电路。FPGA凭借其灵活性高、开发周期短、处理能力强（并行）等特点，广泛应用于通信、图像处理、医疗等领域。

1.1FPGA是啥

FPGA(Field Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列，它是在PAL ,GAL,CPLD等可编程器件的基础上进一步发展产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，能够解决定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路个数有限的缺点。

如下图用面包板搭建电路所示

从图中可以看出该电路里面有晶振和一根一根的线，以及各种小芯片。如果你自己亲自动都去搭建它其实是很麻烦的一件事，需要一根线一根线去接，不断对照原理图等操作。如果我们想要实现更加复杂的功能的话，通过面包搭建方式会使得电路板布局、布线十分困难，还可能会极大影响整体性能、搭建体积大，实用性差。为了改变这种情况，可以通过专用集成电路（ASIC）来实现，我们可以将实现的特定需求交给ASIC厂商，设计出一个专用集成电路芯片出来。但同时需要面临生成周期长、芯片难验证、芯片内部电路无法更改等问题。

于是，FPGA由此诞生，由Xilinx创始人之一Ross Freeman发明，属于可编程逻辑器件PLD（Programmable Logic Device）的一种。要知道一块专用的ASIC定制集成电路的芯片他在出厂前就已经定死了，虽然定制集成电路芯片操作简单，但是缺乏灵活性，而FPGA就不一样了，你可以通过特定的编程语言如Verilog、VHDL等硬件描述语言将数字时钟的逻辑编写好，下载到FPGA内部，它会根据硬件描述语言生成一个电路出来，去完成相应功能，当你不想要这个功能是你也可以随时将内部程序擦除，或者用一个新的设计去覆盖原有的设计。

FPGA的应用

通信方面：得益于FPGA内部结构特点，可以容易实现分布式算法结构，这对于实现无线通信中的高速数字信号处理十分有利，因为无线通信系统中，许多功能模块需要大量滤波运算，这些滤波函数往往需要大量的乘和累加操作。Xilinx公司的FPGA内部集成了大量适合通信领域的资料如基带处理、接口和连接功能以及（射频卡）等

数字信号处理方面：在数字信号处理方面，FPGA的高速并行处理能力强。FPGA最大优势是其并行处理机制，利用并行架构实现数字信号处理功能。

视频图像处理领域：随着时代变化，对图像的稳定性、清晰度、亮度和颜色有了更高的追求，从标清到4k蓝光。这就要求芯片能够实时处理的数据量越来越大，并且图像的压缩算法也越来越复杂。这时FPGA的优势就体现出来了，它可以高效处理数据。

高速接口设计：FPGA的高速处理能力以及多达成千上百的IO决定了它在高速接口设计的优势。好比我们需要和PC端做数据交互，将采集到数据送给PC处理，或者将处理后的结果传给PC进行显示。传统方法就是对应接口使用对应接口芯片，在需要多接口时，这可能会造成硬件外设复杂，体积大等问题，如果使用FPGA,不通过接口逻辑可以在FPGA内部去实现，就没有必要多接口芯片。

人工智能领域：FPGA在人工智能系统的前端部分也得到了应用。例如自动驾驶需要对驾驶路线、红绿灯、路障等各种交通信号进行采集，需要用到很多中传感器，FPGA可以对对这些传感器进行综合驱动和融合处理，智能机器人需要对图像进行采集和处理时也可以使用FPGA来完成。

IC验证：如果需要保证IC一版成功需要进行充分的仿真测试和FPGA验证，仿真验证是在服务器上面跑仿真软件测试；FPGA验证主要是把IC的代码移植到FPGA上面，使用FPGA综合进行综合、布局布线到最终生成bit文件，然后下载FPGA验证板上面进行验证，同时对于复杂IC可进行拆分，分别去验证，FPGA生成的电路非常接近真实IC芯片。这样方便IC人员自己去验证。