FPGA：它們有什么用？

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自 20 世紀(jì) 80 年代中期推出以來，可編程邏輯已在一系列應(yīng)用中得到廣泛采用?，F(xiàn)代可編程邏輯器件已經(jīng)從可編程邏輯器件(PLD)和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)發(fā)展到現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)。

PLD 和 CPLD 提供的邏輯資源數(shù)量有限，而 FPGA 提供數(shù)百萬(wàn)個(gè)可配置邏輯塊 (CLB)，使開發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)序和組合電路?，F(xiàn)代 FPGA 設(shè)備還為開發(fā)人員提供高級(jí)功能，如 DSP 元件、Block RAMS、千兆位收發(fā)器、PCIe 端點(diǎn)，甚至嵌入式 Arm ?和 RISC-V 處理器。

當(dāng)然，由于可編程邏輯的真正并行特性，F(xiàn)PGA 需要與傳統(tǒng)處理器不同的設(shè)計(jì)捕獲、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證方法。

這種并行實(shí)現(xiàn)使 FPGA 成為需要解決方案具有以下一個(gè)或多個(gè)特性的應(yīng)用的理想選擇。

響應(yīng)性：實(shí)施中使用專用資源，因此無需共享系統(tǒng)資源。

確定性：專用資源用于實(shí)現(xiàn)處理管道，因此從輸入到輸出的處理時(shí)間是確定性的。

高吞吐量：可編程邏輯的并行結(jié)構(gòu)使處理流水線能夠在真正的并行處理結(jié)構(gòu)中使用分立元件來實(shí)現(xiàn)。

FPGA 中 IO 的靈活性：只要啟用正確的 PHY，F(xiàn)PGA 中的 IO 靈活性就可以實(shí)現(xiàn)任意到任意的連接。這種靈活性還使開發(fā)人員擺脫了在更傳統(tǒng)的處理器解決方案上提供的特定 IO 標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量的限制。

這些特性使 FPGA 成為從汽車和航空航天到電機(jī)控制、圖像和信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)和過程控制等一系列應(yīng)用的理想選擇。讓我們來看兩個(gè)應(yīng)用，以更好地理解為什么 FPGA 是該應(yīng)用的理想選擇。

作為工業(yè) 4.0 的一部分，圖像處理是從智能城市到安全和生產(chǎn)線檢查等許多應(yīng)用的核心。在這些應(yīng)用中，圖像處理解決方案需要逐個(gè)像素地執(zhí)行多種復(fù)雜的圖像處理算法。隨著幀速率和分辨率的增加，需要大量的計(jì)算能力。FPGA 的實(shí)現(xiàn)使處理流水線的每個(gè)階段都可以在邏輯門中實(shí)現(xiàn)，通常使用現(xiàn)有的供應(yīng)商 IP 塊。這個(gè)處理鏈可以從 MIPI 或 HDMI 接收、De Bayer、Alpha 通道校正，然后是增強(qiáng)、邊緣檢測(cè)、分割和 ML 網(wǎng)絡(luò)等高級(jí)處理算法。與使用更傳統(tǒng)的處理方法相比，在可編程邏輯中實(shí)現(xiàn)流水線使開發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)更高的幀速率。圖像處理應(yīng)用程序通常用于汽車應(yīng)用程序，用于提高 SAE 的自主級(jí)別。

FPGA 的另一個(gè)用例是安全關(guān)鍵型或高可靠性應(yīng)用。這是由于 FPGA 的響應(yīng)性和確定性特性。許多安全關(guān)鍵系統(tǒng)都有所謂的硬實(shí)時(shí)要求——這意味著必須在規(guī)定時(shí)間內(nèi)收集數(shù)據(jù)、確定結(jié)果并實(shí)施操作。未能在分配的時(shí)間內(nèi)執(zhí)行處理和決策會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障。在邏輯中實(shí)施處理解決方案使算法的每個(gè)階段都可以并行實(shí)施。這種并行實(shí)現(xiàn)使開發(fā)人員能夠?qū)崿F(xiàn)響應(yīng)時(shí)間，因?yàn)橛?jì)算路徑不共享資源。由于資源不共享，實(shí)施的解決方案還提供了對(duì)給定輸入的確定性響應(yīng)。這種確定性響應(yīng)還支持更穩(wěn)健的驗(yàn)證策略，因?yàn)榭梢詣?chuàng)建涵蓋 RTL 設(shè)計(jì)中所有狀態(tài)、分支、路徑和寄存器切換的 RTL 仿真。由于其響應(yīng)性和確定性，F(xiàn)PGA 是安全關(guān)鍵型應(yīng)用的理想選擇，通常用于需要通過 DO254、ISO26262 和 IEC61508 等標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證的航空航天、汽車、鐵路和過程控制應(yīng)用。

FPGA 的最后一個(gè)用例是利用其接口功能的靈活性。FPGA 可以創(chuàng)建具有任意接口的解決方案，這要?dú)w功于它們支持的廣泛的單一和差分 IO 標(biāo)準(zhǔn)，并在需要時(shí)結(jié)合外部 PHY。這使得開發(fā)人員能夠在同一芯片上實(shí)現(xiàn)大量相同的接口和多個(gè) MIPI 接口，以恢復(fù)多個(gè)圖像處理流?；蛘?，例如，F(xiàn)PGA 可用于實(shí)現(xiàn)從千兆以太網(wǎng)到 SpaceWire 的協(xié)議轉(zhuǎn)換。當(dāng)然，F(xiàn)PGA 的功能也可以與 IO 靈活性一起使用。一個(gè)這樣的例子是在視頻轉(zhuǎn)碼期間，其中一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)被接收，另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在 FPGA 邏輯中被轉(zhuǎn)碼后被傳輸。又是在這里，

結(jié)論

總之，F(xiàn)PGA 最適合部署在需要響應(yīng)性、確定性、吞吐量或接口等已識(shí)別特征之一的系統(tǒng)中。需要這些的應(yīng)用程序可以利用 FPGA 的并行特性來實(shí)現(xiàn)滿足要求的解決方案。因此，我們看到 FPGA 被部署在各種應(yīng)用中，包括航空航天、汽車、工業(yè)、視頻轉(zhuǎn)碼、過程控制和高性能系統(tǒng)。隨著 FPGA 技術(shù)的發(fā)展(尤其是開發(fā)工具)，我們將看到 FPGA 在許多應(yīng)用中更加普遍。

審核編輯：湯梓紅