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《FPGA全程进阶---实战演练》第一章之FPGA介绍(一)
2017-10-10 12:30:16 】 浏览:4063
Tags:FPGA 全程 进阶 --- 实战 演练 第一 章之 介绍

1 什么是FPGA

       FPGA也即是Field Programmable Gate Array的缩写,翻译成中文就是现场可编程门阵列。FPGA是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上发展起来的新型高性能产物,是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。图1.1是Altera Cyclone V芯片。

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图1.1 Altera Cyclone芯片

       说到这里,不得不提ASIC,即专用集成电路(Application specific integrated circuit),ASIC无处不在,实际上比FPGA普及的多。但ASIC作为专用集成电路,功能相对来说较固定,不能让它进行任何功能和性能的改善,而这时FPGA的优势就体现出来,作为可操纵的“白纸”,我们可以灵活的在FPGA上面实现可编程,实现功能定制与修改,降低产品的失败风险和维护成本。目前FPGA也正在向高集成、高性能、低功耗、高灵活性的方向发展,已在数据传输,视频图像处理等领域得到了广泛的应用。

2 FPGA与CPLD

        作为“老大哥”的CPLD,它没有FPGA性能的惊艳,但也常用到一些场合,FPGA与CPLD的区别表1.1所示。

表1.1 FPGA与CPLD比较

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       由上面可以看出,CPLD大多都是基于PROM或Flash来实现可编程特性,对它们进行编程时就已经配置好数据流固化好了,重新上电还能够运行固有的配置数据。FPGA大多是基于SRAM来实现可编程,通过JTAG实现在线可编程,当断电时SRAM数据丢失,不能恢复,因此FPGA通常需要外挂一个用于保存当前配置数据流的PROM或Flash芯片,通常称为“配置芯片”,CPLD则不需要。

3 FPGA 、DSP、 ARM群芳争艳

       话说这三者要是放在一块,可谓是三足鼎立。各自的特点在各自的领域大有身手。ARM有丰富的外设接口,精于控制,且基于ARM架构开发的芯片具有较低的功耗,使得续航时间大大延长(移动端);DSP有优化的超强运算能力,专于运算处理;而FPGA则极其灵活,加之具备硬件独有的并行结构,使其在图像处理,接口协议等方面应用广泛。

        第一,在编程语言方面,FPGA利用VHDL或Verilog语言进行编程,相比C/C++语言编程来说,在代码灵活度和开发效率上还有欠缺。

        第二,从资源配置来看,ARM、DSP等处理器集成了运算单元、存储单元及大量的总线接口,只需正确配置各个寄存器参数后即可使总线接口工作在相应的模式下。而FPGA内部有大量的逻辑资源,总线接口需要自拟,会占用大量的开发时间。

        第三,从工作频率来看,ARM、DSP等处理器采用的是成熟的内核结构,具有较好的时序特性,其最高频率通常为600MHz ~1.25GHz。TI等芯片厂商采用多核的设计方式,设计了具有8核DSP、8核ARM的处理器,每个核心的最大工作频率可达到1.25GHz。FPGA中不同设计系统工作频率不一样,良好的时序约束可以提高设计的最高设计频率。

        第四,从算法设计来看,ARM、DSP等处理器集成了加法器、乘法器等运算单元,尤其是在DSP中,可以在一个周期内进行8x8甚至16x16的乘法运算,同时支持浮点数运算。而FPGA不擅长浮点数运算,一些简单的加法可能也会对时序产生一定的影响,进而影响最高频率。

        针对上述情况,拿Altera公司来说,针对第一点,推出了Qsys等片上软核,使工程师在FPGA中可以进行更为灵活的C语言编程。Qsys中集成了常用的IP,可以方便的定制,缓解开发周期;针对第二点,Altera提供了各行各业的IP,其中部分免费,部分需要购买。针对第三点,在高速数据处理过程中,FPGA以其独有的并行结构,相比于ARM、DSP串行结构,其优势更加明显。针对第四点,Altera FPGA中内嵌了多个DSP模块,每个DSP模块中包含加法器和乘法器结构,根据系列的不同,具有不用的位宽,结合流水线的形式完成运算操作。Altera又推出了嵌入了双核28nm的ARM Cortex-A9的FPGA,同时拥有足够的DSP块和足够的乘法器资源,实现FPGA+DSP+ARM架构。以此架构来实现高速运算,并集成在单片SoC FPGA中,这必定是一种趋势。图1.2展示了Cyclone V代集成ARM的SoC芯片。

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图1.2 Altera SoC

4 FPGA 厂商之争

        关于FPGA最近有一个比较轰动的新闻,Intel收购Altera。其实早在2013年,Intel和Altera就已经开展合作,Altera FPGA采用Intel 14nm技术,帮助客户设计业界最先进、性能最好的FPGA。Intel收购Altera之举,算是在移动互联网(长期ARM架构占据主导地位)以及云计算物联网方面占据了一片天地,最起码和对手站在了同一起跑线上。目前Intel在未来会在FPGA+x86异构设计芯片上持续投入,将FPGA和Xeon系列处理器整合在同一硅胶模块中,这无疑会大大提升处理器速度,但能不能被市场所接受就不得而知了。

        占据前三的FPGA厂商,Altera,Xilinx以及lattice,当然还有一些厂商的加入,但这都不是主业务,Atmel、Cypress公司等,其中Altera和Xilinx所占的份额最多,两厂商Xilinx和Altera纷纷推出了嵌入双核28nm Cortex-A9的SoC FPGA。Xilinx的芯片的架构是先组合,后时序,而且基于细颗粒查找表结构、丰富的寄存器资源,以及分段式路由布线结构、电路上电加载。这种架构优点在于:(1)电路的规模得到空前提高;(2)适合做加减法运算;(3)无限制更新电路。而Altera芯片中拥有高速嵌入式RAM及嵌入式PLL,其架构在于:(1)采用多选一或一对多的MUX结构,实现三态门功能;(2)ESB的Memory结构,可以构成FIFO、DPRAM、大型查找表;(3)布线资源以长线资源为主,编译速度快。Altera还有一个重要合作商就是友晶科技有限公司,在其推动下,Altera大学计划做的有声有色,其基于Altera FPGA

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