淺談FPGA技術(shù)的優(yōu)勢及其應(yīng)用

中國船舶重工集團公司第七一五研究所 陳 木

淺談FPGA技術(shù)的優(yōu)勢及其應(yīng)用

中國船舶重工集團公司第七一五研究所 陳 木

本文系統(tǒng)的介紹了FPGA的發(fā)展歷史,以及其作為一種新型的高密度器件所具有的主要優(yōu)勢,其高性能、低成本、靈活性、穩(wěn)定性等特征使其在各類電子產(chǎn)品中被廣泛的應(yīng)用。

FPGA；信號處理

信息技術(shù)的迅速發(fā)展為人們使用現(xiàn)代數(shù)字信號處理技術(shù)實現(xiàn)快速信息處理提供了有效支持,數(shù)據(jù)采集和處理技術(shù)在其中發(fā)揮重要的作用。計算機科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展使人們的生活日新月異,它促使人們采用數(shù)字信號處理技術(shù)實現(xiàn)快速的、海量的數(shù)據(jù)的處理,數(shù)據(jù)采集處理技術(shù)起著至關(guān)重要作用。所謂的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)就是完成模擬信號到計算機能識別的數(shù)字信號的一個轉(zhuǎn)換系統(tǒng),并且該系統(tǒng)要將轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號輸入到計算機中,其中的模擬信號是從模擬傳感器輸出端獲得,計算機根據(jù)不同的需求進行相應(yīng)的計算處理,最終得出所需的數(shù)據(jù)。與此同時,顯示或打印出計算機的數(shù)據(jù),以便人們能夠方便的監(jiān)視某些物理量,計算機控制系統(tǒng)通過一些數(shù)據(jù)對生成過程中的某些物理量進行控制。

1 FPGA的產(chǎn)生與發(fā)展

上個世紀80年代中期,一種新型的高密度的器件FPGA逐步得到使用,它是在其他的一些可編程器件的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展而產(chǎn)生的,比如可編程器件PAL、GAL與EPLD等?，F(xiàn)在市場上對高性能芯片的要求越來越高以及工藝技術(shù)飛速發(fā)展,這些都促使FPGA快速的占有市場,只因其高速、低功耗的卓越性能。可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式塊RAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元和內(nèi)嵌專用硬核,這是FPGA簡化了的基本組成部分。FPGA的輸入輸出單元多為設(shè)置靈活的可編程式設(shè)置,其輸入輸出特性支持大多數(shù)的電氣標準,更具靈活性。可編程的邏輯單元是可編程邏輯的基礎(chǔ),這些邏輯單元可以在內(nèi)部進行相應(yīng)的連接與配置。FPGA一般是基于SRAM工藝,其基本可編程邏輯單元通常由查找表(Look Up Table,LUT)和寄存器(Register)組成。FPGA的靈活性的提高以及應(yīng)用范圍的擴大是通過在 FPGA 中嵌入可編程RAM(Block RAM)來實現(xiàn)的。FPGA的各種結(jié)構(gòu)都具有靈活的配置,這包括 FIFO(First In First Out)、雙口RAM(Double Port RAM,DPRAM)、偽雙口RAM(Pseudo DPRAM)、CAM (Content Addressable Memory)、和單口RAM(Single Port RAM,SPRAM)等。FPGA信號處理的驅(qū)動能力和數(shù)據(jù)傳輸速度取決于FPGA內(nèi)部所有單元的布線連線長度和布線的工藝方式。像PLL、DLL、DPS和CPU這些單元都是通用度比較高的嵌入功能模塊,稱之為底層嵌入功能單元。而所謂內(nèi)嵌專用硬核則不同于底層嵌入功能單元,大多數(shù)FPGA不包含此類硬核。比較常用的例子是SERDES (串并收發(fā)器)等專用硬核被集成于許多高級FPGA產(chǎn)品中,其目的在于適用高速通信總線和某些接口標準,進而大幅度提高FPGA的性能。

2 FPGA的主要優(yōu)勢

FPGA在使用方面存在諸多的優(yōu)勢。首先,其超越了DSP的運算能力,其運算模式非順序執(zhí)行,可在每個處理周期中完成更多的運算任務(wù)。BDTI公司是一家從事分析與基準測試的公司,其發(fā)布的報告顯示,FPGA的處理方案和DSP相比更具經(jīng)濟性,可以節(jié)省2倍以上的成本支出。FPGA提供了更為快速的響應(yīng)時間和專業(yè)化的功能,這是因為其在硬件層面控制輸入與輸出,用戶再也不用通過自己定制ASIC設(shè)計從而浪費較長的時間,其想法可以通過硬件完成實驗,因此更具靈活性。更讓人感到欣慰的是高層次的軟件工具降低了學(xué)習(xí)曲線,并提供能夠?qū)崿F(xiàn)高級控制與信號處理的IP核。在成本控制方面, FPGA的優(yōu)勢更為顯著。原始的ASIC設(shè)計需要原始設(shè)備制造企業(yè)提供大量的芯片且投資巨大。可編程芯片在節(jié)省成本和時間上有著強大的優(yōu)勢。系統(tǒng)的需求時刻改變,但這對于可編程芯片來說并不是問題,畢竟相對于ASIC而言,這些改變所帶來的成本幾乎可以忽略不計。FPGA電路是真正的變成“硬”執(zhí)行過程,因為軟件工具提供了編程環(huán)境。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理模式中,系統(tǒng)包含眾多抽象層,計劃任務(wù)以及共享資源等活動在多個進程之間進行。內(nèi)存及帶寬由系統(tǒng)層面控制而硬件等設(shè)備則歸于驅(qū)動層面。對于給定的處理器內(nèi)核,每次能且只能執(zhí)行一個指令,且任務(wù)之間相互占有,系統(tǒng)穩(wěn)定性存在著一定的風(fēng)險。FPGA不同于上述情況,人物之間并行執(zhí)行而每一次任務(wù)皆有確定性硬件,穩(wěn)定性大大提升,且如上文所提及,FPGA不用重新設(shè)計ASIC,節(jié)省大量的人力物力,芯片可現(xiàn)場升級。

3 FPGA在電子產(chǎn)品中的應(yīng)用

FPGA作為一種高效、專業(yè)、低廉、高穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)處理解決方案,在工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)安全、視頻監(jiān)控、廣播電視以及汽車電子等方面有著廣泛的應(yīng)用。在視頻監(jiān)控方面,FPGA的應(yīng)用是一個新的熱點。在早期,國內(nèi)大多數(shù)的視頻監(jiān)控設(shè)備多數(shù)使用DSP,而對于目前的情況, DSP已漸漸不能滿足市場對于高分辨率視頻編碼及高通道的要求。而FPGA的廣泛應(yīng)用恰好完美地解決了DSP的不足,其硬件加速的方法和多通道壓縮等特性被視頻監(jiān)控領(lǐng)域的諸多廠商所歡迎。一家視頻監(jiān)控設(shè)備公司的產(chǎn)品經(jīng)理介紹說,FPGA已經(jīng)是業(yè)內(nèi)使用頻率最高的視頻監(jiān)控產(chǎn)品的核心器件。其對于H.264算法有著獨特的處理方案,也只有FPGA才可能構(gòu)建起單芯片平臺,完成設(shè)計方案。不僅如此,FPGA在網(wǎng)絡(luò)安全平臺的方面的應(yīng)用同樣廣泛。在于眾多網(wǎng)絡(luò)安全公司負責(zé)人接觸的過程中發(fā)現(xiàn),FPGA已經(jīng)成為眾多網(wǎng)絡(luò)安全公司平臺開發(fā)的首選,其開放的架構(gòu)、高穩(wěn)定性能、低廉的成本受到眾多企業(yè)的青睞。盡管商賽靈思、Altera及Actel這些FPGA器件生產(chǎn)商的知名度不如CPU或單片機,但FPGA的應(yīng)用卻已無處不在,許多科研院所,小到電子設(shè)備廠商,大到航空航天研究所,只要涉及到數(shù)字電路的設(shè)計,都能看到FPGA的身影?？梢灶A(yù)見,隨著科技的發(fā)展,FPGA的應(yīng)用一定會更加廣泛。

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