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通过这三个问题,终于有人把神奇的FPGA讲清楚了!

2019-01-09
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与典型的微控制器相比,现场可编程门阵列FPGA是一种能够提供更强性能和灵活性的器件,本文通过解答几个有关FPGA的常见问题——什么是FPGA、为什么我会需要FPGA、如何为FPGA编程——为开发者提供FPGA入门所需的基本概念和知识。

 

 

如果您是二元思维的人,那么不要错过第1到4部分内容。在这篇博客中,我将简单介绍我最感兴趣的电子器件:现场可编程门阵列(FPGA)。

 

当我和人们谈起FPGA时,我听到很多人说:“我不知道它们的工作原理”、“它们太复杂了”、“我无法用C语言编程”。我不希望看到这样一种神奇的器件遭受如此冷遇,因此下面我将尝试解答一些常见问题(FAQ)

问题1:什么是现场可编程门阵列?


详细解答如下:顾名思义,有人推断它是可编程的逻辑门结构。这种解释很接近,但又不太准确,因为内部逻辑阵列实际并不是利用门来实现的。相反,我们将阵列中的这些块称为“逻辑单元”。这些逻辑单元通常由查找表 (LUT)(用于实现任意逻辑功能)以及一些辅助电路(例如多路复用器、加法器和触发器)构成。您会经常听到人们将这种逻辑单元阵列称为“FPGA结构”


图1,FPGA 逻辑单元示例。(图片来源:Wikimedia Commons


简而言之,我可以将FPGA比作一个盒子,里面装有各种没有商标、用于构建数字电路的彩色构件。我可以通过适合我的应用的任何方式,将这些构件连接到一起。

 

如果您能描述数字电路如何工作,就能用足够的逻辑单元在FPGA内构建该电路。需要25个PWM输出?没问题。需要特殊通信协议?对某些硬件进行编程来处理该协议。


问题2:为什么我会需要FPGA?

FPGA可用于实现数字系统,但简单的微控制器通常也能够达到同样的效果。微控制器价格低廉,而且易于放置在印刷电路板上。虽然FPGA是一种功能强大的工具,但未必适合所有情况。它们有更多的功耗、布局和外部电路要求,甚至可能非常苛刻。使用成本高昂且具有诸多特殊要求的FPGA似乎有些不合时宜。

 

但您也许已经猜到了需要FPGA的原因:灵活性。您拥有可配置的逻辑块,就意味着不再受到硬件的制约。您不会再遇到定时器或UART不够用的情况,只要您拥有逻辑单元便可创建更多定时器或UART。它能够随着技术和要求的变化,在今后进行重新配置,从而延长产品的生命周期。

 

第二个原因是速度。微控制器只能按顺序一次执行一条指令。由于硬件特性,FPGA结构本身是并行的。因此它能同时执行多个指令,这对于FFT或图形处理等操作非常有用,因为在按顺序执行的处理器上,这些操作可能产生很高的成本。与LVDS等典型微控制器相比,FPGA还提供了更多高速I/O选项,收发器能够以10+Gbps的速度处理HDMI等协议。




问题3:如何为FPGA编程?

FPGA采用一种名为HDL(即硬件描述语言)的特殊语言。它主要包含两种语言:Verilog和VHDL。几乎所有开发套件(例如Quartus或Vivado)都支持这两种语言,所以选择哪种语言只是偏好问题。

 

然后对这两种语言进行“合成”,这类似于微控制器的编译。合成工具告诉FPGA如何连接其逻辑单元,以产生代码所描述的效果。请记住,代码被转换为硬件指令而非CPU指令,在您开始使用时,务必牢记这一点。

 

为了简化开发,FPGA供应商提供了常用代码块目录,供您轻松置入到设计中。其中包括倍频器、RAM和通信块等。您可对它们进行配置并添加到设计中,而无需查看涉及的HDL代码,从而加快开发速度


图2,显示来自 Xilinx 目录和 HLS 的 IP 块的部分框图。(图片来源:eewiki.net

有些供应商还提供高级别合成(HLS) 工具,能够将使用C或C++语言编写的功能转换为HDL代码块。使用这些工具,可以通过抽除一些低级别细节,显著减少具有软件背景的开发人员的入门障碍。

 

仍然不太相信?我最喜欢的FPGA功能之一是它能够使用软处理器。软处理器是从FPGA的逻辑单元构建的完整处理器。利用软处理器,您能够为处理器构建定制的辅助硬件,并使用C语言编写应用程序。您可在短短几分钟内完成简单的软处理器系统设置和编程。如果您仍然需要传统处理器,可考虑在单一封装中包含FPGA和硬ARM处理器的SoC。

 

总而言之,与典型的微控制器相比,FPGA的成本更高,使用难度更大,但如果您需要,它们能够提供更强的性能和灵活性。随着技术的改进,集成度的提高,FPGA的成本变得更低,它们甚至能够取代传统的微控制器




如果您对上述任何内容感兴趣,可以立即开始使用FPGA,这将让您能够走在业界的前沿。如果您正在寻找一种低成本的入门开发板,请了解我们的FPGA供应商提供的这些开发板:


关于作者

Taylor Roorda是Digi-Key Electronics的助理应用工程师,于2015年加入公司,主要负责嵌入式系统、可编程逻辑和信号处理领域的工作。Taylor拥有北达科他州立大学电子工程学士学位,业余时间喜欢弹吉他和搞音乐创作




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