FPGA

什么是 FPGA？

现场可编程门阵列 (FPGA) 是一种集成电路 (IC)，可用于开发定制逻辑，以实现快速原型设计和最终系统设计。FPGA与其他 定制或半定制 IC 不同，它具有固有的灵活性，可以通过下载软件进行编程和重新编程，以适应其所设计大型系统不断变化的需求。FPGA 非常适合当今发展最快的应用，例如边缘计算、人工智能 (AI)、系统安全、5G、工厂自动化和机器人技术。

为什么使用 FPGA

FPGA 最初是在 20 世纪 80 年代从可编程只读存储器发展而来的，但在 20 世纪 90 年代，由于其多功能性以及技术的快速增长和互联网的发展，其在许多设备中的用途和应用范围不断扩大。

如今，FPGA 不仅用于模拟环境，用于在产品生产前进行测试，还用于在硬件生产后进行更新。FPGA 广泛应用于数字电视、无线通信、电子医疗设备、游戏机、计算机、智能手机以及许多其他家用和工业设备。

FPGA 是一种常见的解决方案，因为它可定制，用途极其广泛。它是一种经济高效的方式，可以让现有硬件随着技术进步而发展，而无需安装新硬件。

最后，由于 FPGA 高度可定制，它们也提供了更大的设计自由度，从而简化了设计流程。在将其用于特定用途之前，无需克服任何预编程功能。

FPGA 的工作原理

FPGA 主要通过重新配置电子设备的硬件来调整或更新其功能。广义上讲，它们包含带有逻辑块的可编程硅芯片，这些逻辑块通过一系列输入和输出块与其他硬件进行通信。一旦接收到信号并重新编程，它们就会开始执行新功能，这与普通芯片的功能固定、升级时需要更换不同。

FPGA架构

FPGA 由一系列可编程逻辑元件（块）、存储器元件和可配置互连组成。关键组件包括：

• 逻辑元件：这些基本构建块用于实现逻辑功能。它们通常包括查找表 (LUT)、触发器和多路复用器。

• 互连：可编程互连允许逻辑块以各种配置连接以实现复杂的设计。

• I/O 块：这些块管理 FPGA 的输入和输出信号，支持各种标准和协议。

• 专用资源：许多 FPGA 包含专用资源，例如用于算术运算的数学块或 DSP 切片、用于数据存储的内存块以及用于通信的高速 SerDes 收发器。

FPGA应用

• 人工智能（AI）：  FPGA 可用于快速 AI 模型推理，从而实现低延迟、高效处理复杂的神经网络。

• 智能边缘计算：  FPGA 能够在靠近数据源的地方进行实时处理，减少将数据发送到集中式数据中心的需要。

• 系统安全：  FPGA 为数据保护提供安全且可定制的解决方案，包括加密和安全启动功能。

• 汽车：  FPGA 用于高级驾驶辅助系统 (ADAS) 和自动驾驶汽车，用于处理传感器数据和做出实时决策。

• 工业自动化：  FPGA 用于工厂自动化、机器人和控制系统，确保精确可靠的运行。

FPGA编程

FPGA 编程需要使用专用硬件描述语言 (HDL)，例如 VHDL 或 Verilog，以及有助于设计、仿真和验证的软件工具。典型的设计流程包括：

• 设计输入：使用 HDL 或图形工具创建设计。

• 模拟：在模拟环境中测试设计以确保正确的功能。

• 综合：将 HDL 代码转换为代表 FPGA 逻辑块和互连的网络表。

• 布局布线：将网表映射到 FPGA 的物理资源上。

• 配置：将设计加载到 FPGA 上执行。

如何选择 FPGA

选择合适的 FPGA 需要评估几个关键因素以满足您的应用需求：

1. 性能要求

确定应用所需的处理能力。请考虑时钟速度、逻辑单元数量以及用于计算任务的 DSP 模块的可用性等因素。

2. 功耗

评估 FPGA 的功率要求，尤其是在您的应用对功耗敏感的情况下。请寻找提供低功耗模式和高效电源管理功能的 FPGA。

3. I/O 功能

评估所需输入/输出引脚的数量和类型。确保 FPGA 支持必要的 I/O 标准，例如 LVDS、PCIe® 和以太网。

4. 内存资源

检查嵌入式内存容量以及对外部内存接口的支持。需要大量数据存储或高速内存访问的应用程序需要充足的内存资源。

5. 专业功能

确定所需的任何特定功能，例如高速收发器、内置安全功能或特定协议的硬 IP 核。

6. 开发工具和生态系统

考虑开发工具（包括综合、仿真和调试工具）的可用性和质量。强大的软件生态系统可以显著简化设计流程。

7.成本

平衡性能和功能需求与 FPGA 成本。确保所选 FPGA 能够为您的预算带来最佳价值。

8. 供应商支持和文档

评估 FPGA 供应商提供的支持级别，包括技术支持、文档和社区资源。