《電子技術(shù)應(yīng)用》
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淺析FPGA的基本特點(diǎn)及應(yīng)用

2015-10-08

  FPGA基本特點(diǎn)
  1)采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路(專用集成電路),用戶不需要投片生產(chǎn),就能得到合用的芯片。
  2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。
  3)FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。
  4)FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開(kāi)發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。
  5) FPGA采用高速CMOS工藝,功耗低,可以與CMOS、TTL電平兼容。
  可以說(shuō),F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。
  FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來(lái)設(shè)置其工作狀態(tài)的,因此,工作時(shí)需要對(duì)片內(nèi)的RAM進(jìn)行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式,采用不同的編程方式。加電時(shí),F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中,配置完成后,F(xiàn)PGA進(jìn)入工作狀態(tài)。掉電后,F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片,內(nèi)部邏輯關(guān)系消失,因此,F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無(wú)須專用的FPGA編程器,只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時(shí),只需換一片EPROM即可。這樣,同一片F(xiàn)PGA,不同的編程數(shù)據(jù),可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此,F(xiàn)PGA的使用非常靈活。
  FPGA的應(yīng)用
  1.電路設(shè)計(jì)中FPGA的應(yīng)用
  連接邏輯,控制邏輯是FPGA早期發(fā)揮作用比較大的領(lǐng)域也是FPGA應(yīng)用的基石.事實(shí)上在電路設(shè)計(jì)中應(yīng)用FPGA的難度還是比較大的這要求開(kāi)發(fā)者要具備相應(yīng)的硬件知識(shí)(電路知識(shí))和軟件應(yīng)用能力(開(kāi)發(fā)工具)這方面的人才總是緊缺的,往往都從事新技術(shù),新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成功的產(chǎn)品將變成市場(chǎng)主流基礎(chǔ)產(chǎn)品供產(chǎn)品設(shè)計(jì)者應(yīng)用在不遠(yuǎn)的將來(lái),通用和專用IP的設(shè)計(jì)將成為一個(gè)熱門行業(yè)!搞電路設(shè)計(jì)的前提是必須要具備一定的硬件知識(shí).在這個(gè)層面,干重于學(xué),當(dāng)然,快速入門是很重要的,越好的位子越不等人電路開(kāi)發(fā)是黃金飯碗.
  2.產(chǎn)品設(shè)計(jì)
  把相對(duì)成熟的技術(shù)應(yīng)用到某些特定領(lǐng)域如通訊,視頻,信息處理等等開(kāi)發(fā)出滿足行業(yè)需要并能被行業(yè)客戶接受的產(chǎn)品這方面主要是FPGA技術(shù)和專業(yè)技術(shù)的結(jié)合問(wèn)題,另外還有就是與專業(yè)客戶的界面問(wèn)題產(chǎn)品設(shè)計(jì)還包括專業(yè)工具類產(chǎn)品及民用產(chǎn)品,前者重點(diǎn)在性能,后者對(duì)價(jià)格敏感產(chǎn)品設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能為主要目的.
  FPGA技術(shù)是一個(gè)實(shí)現(xiàn)手段在這個(gè)領(lǐng)域,F(xiàn)PGA因?yàn)榫邆浣涌冢刂疲δ躀P,內(nèi)嵌CPU等特點(diǎn)有條件實(shí)現(xiàn)一個(gè)構(gòu)造簡(jiǎn)單,固化程度高,功能全面的系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)將是FPGA技術(shù)應(yīng)用最廣大的市場(chǎng),具有極大的爆發(fā)性的需求空間產(chǎn)品設(shè)計(jì)對(duì)技術(shù)人員的要求比較高,路途也比較漫長(zhǎng)不過(guò)現(xiàn)在整個(gè)行業(yè)正處在組建"首發(fā)團(tuán)隊(duì)"的狀態(tài),只要加入,前途光明產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一種職業(yè)發(fā)展方向定位,不是簡(jiǎn)單的愛(ài)好就能做到的!產(chǎn)品設(shè)計(jì)領(lǐng)域會(huì)造就大量的企業(yè)和企業(yè)家,是一個(gè)近期的發(fā)展熱點(diǎn)和機(jī)遇
  3.系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用
  系統(tǒng)級(jí)的應(yīng)用是FPGA與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)一種FPGA版的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)如用Xilinx V-4, V-5系列的FPGA,實(shí)現(xiàn)內(nèi)嵌POWER PC CPU, 然后再配合各種外圍功能,實(shí)現(xiàn)一個(gè)基本環(huán)境,在這個(gè)平臺(tái)上跑LINUX等系統(tǒng)這個(gè)系統(tǒng)也就支持各種標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)和功能接口(如圖象接口)了這對(duì)于快速構(gòu)成FPGA大型系統(tǒng)來(lái)講是很有幫助的。這種"山寨"味很濃的系統(tǒng)早期優(yōu)勢(shì)不一定很明顯,類似ARM系統(tǒng)的境況但若能慢慢發(fā)揮出FPGA的優(yōu)勢(shì),逐漸實(shí)現(xiàn)一些特色系統(tǒng)也是一種發(fā)展方向。
  若在系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用中,開(kāi)發(fā)人員不具備系統(tǒng)的擴(kuò)充開(kāi)發(fā)能力,只是搞搞編程是沒(méi)什么意義的,當(dāng)然設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)是另一種情況,搞系統(tǒng)級(jí)應(yīng)用看似起點(diǎn)高,但不具備深層開(kāi)發(fā)能力,很可能會(huì)變成愛(ài)好者,就如很多人會(huì)做網(wǎng)頁(yè)但不能稱做會(huì)編程類似以上是幾點(diǎn)個(gè)人開(kāi)發(fā),希望能幫助想學(xué)FPGA但很茫然無(wú)措的人理一理思路。這是一個(gè)不錯(cuò)的行業(yè),有很好的個(gè)人成功機(jī)會(huì)。但也肯定是一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)很激烈的行業(yè),關(guān)鍵看的就是速度和深度當(dāng)然還有市場(chǎng)適應(yīng)能力。
  4.最新應(yīng)用
  北京時(shí)間2010年12月30日消息,美英兩國(guó)科學(xué)家聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一款運(yùn)算速度超快的電腦芯片,使當(dāng)前臺(tái)式機(jī)的運(yùn)算能力提升20倍。當(dāng)前的個(gè)人電腦使用雙核、4核、16核處理器來(lái)執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)。如今,美英研究人員開(kāi)發(fā)的中央處理器(CPU)將1000個(gè)內(nèi)核有效集成于一個(gè)芯片上。這項(xiàng)突破或?qū)⒃诮窈髱啄觊_(kāi)啟一個(gè)超高速運(yùn)算的新時(shí)代,使家庭用戶不再對(duì)運(yùn)行緩慢的電腦系統(tǒng)感到沮喪。雖然速度更快,但由于新型“超級(jí)”電腦的能耗遠(yuǎn)低于當(dāng)前電腦,所以更加環(huán)保。
  研究人員采用了一種名為“現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列”(以下簡(jiǎn)稱“FPGA”)的芯片,使得微晶片就像都含有數(shù)百萬(wàn)個(gè)晶體管一樣,而晶體管則是任何電路的基本組成部分。不過(guò),F(xiàn)PGA芯片可由用戶安裝到特定電路,它們的功能不是在出廠時(shí)就設(shè)定好的。這樣一來(lái),用戶可以將晶體管劃分成一個(gè)個(gè)“小群體”,要求每個(gè)“小群體”完成不同的任務(wù)。通過(guò)在FPGA芯片內(nèi)創(chuàng)建逾1000個(gè)微電路,研究人員便將這個(gè)芯片變成了1000個(gè)內(nèi)核的處理器——每個(gè)內(nèi)核都可以遵照自己的指令工作。在測(cè)試中,F(xiàn)PGA芯片每秒能處理5GB的數(shù)據(jù),處理速度大概相當(dāng)于當(dāng)前臺(tái)式機(jī)的20倍。這項(xiàng)研究由英國(guó)格拉斯哥大學(xué)的韋姆·范德堡韋德(Wim Vanderbauwhede)博士和美國(guó)馬薩諸塞大學(xué)盧維爾分校的同行共同實(shí)施。
  范德堡韋德說(shuō):“FPGA芯片沒(méi)有應(yīng)用于標(biāo)準(zhǔn)電腦上,原因是對(duì)FPGA芯片編程相當(dāng)困難。FPGA芯片的處理能力強(qiáng)大,由于速度更快,能耗相當(dāng)?shù)?,是我們更為環(huán)保的選擇。”雖然當(dāng)前市場(chǎng)上銷售的電腦大多數(shù)內(nèi)核超過(guò)一個(gè),可以同時(shí)實(shí)施不同任務(wù),但傳統(tǒng)多核處理器只能共用一個(gè)存儲(chǔ)源,這降低了運(yùn)算速度。范德堡韋德的研究團(tuán)隊(duì)給每個(gè)內(nèi)核分配一定量的專用存儲(chǔ)空間,從而加快了處理器的運(yùn)算速度。
  一名用戶坐在運(yùn)算速度很慢的臺(tái)式機(jī)前面,看上去一籌莫展。在測(cè)試中,F(xiàn)PGA芯片每秒能處理5GB的數(shù)據(jù),處理速度大概相當(dāng)于當(dāng)前臺(tái)式機(jī)的20倍
  范德堡韋德博士說(shuō):“這只是初期概念驗(yàn)證研究,我們?cè)噲D展示對(duì)FPGA編程的便捷方式,令其超高速處理的潛力可以更為廣泛地應(yīng)用于未來(lái)的運(yùn)算器和電子設(shè)備上。雖然現(xiàn)有許多技術(shù)充分使用FPGA芯片,如等離子電視、液晶電視和電腦網(wǎng)絡(luò)路由器,但它們?cè)跇?biāo)準(zhǔn)臺(tái)式機(jī)上的應(yīng)用卻十分有限。”
  “但是,我們看到,包括英特爾和ARM在內(nèi)的一些廠商已經(jīng)宣布將開(kāi)發(fā)集成傳統(tǒng)CPU與FPGA芯片的微晶片。我認(rèn)為此類處理器會(huì)得到更廣泛的應(yīng)用,有助于在今后幾年進(jìn)一步提升電腦運(yùn)算速度?!狈兜卤ろf德希望在2011年3月應(yīng)用重構(gòu)運(yùn)算國(guó)際研討會(huì)上詳細(xì)介紹他的研究發(fā)現(xiàn)。

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