FPGA和ASIC、DSP及ARM有什么不一樣，有哪些應用優(yōu)勢

1、ASIC、DSP 及 ARM 的特點

ASIC 是 Application Specific Integrated Circuit 的英文縮寫，是一種為專門目的而設計的集成電路。ASIC 設計主要有全定制（full-custom）設計方法和半定制（semi-custom）設計方法。半定制設計又可分為門陣列設計、標準單元設計、可編程邏輯設計等等。全定制方法是完全由設計師根據(jù)工藝，以盡可能高的速度和盡可能小的面積以及完全滿意的封裝、獨立地進行芯片設計。這種方法雖然靈活性高，而且可以達到最優(yōu)的設計性能，但是需要花費大量的時間與人力來進行人工的布局布線，而且一旦需要修改內(nèi)部設計，將不得不影響到其它部分的布局。所以，它的設計成本相對較高，適合于大批量的 ASIC 芯片設計，如存儲芯片的設計等等。相比之下，半定制方法是一種基于庫元件的約束性設計。約束的主要目的是簡化設計、縮短設計周期，并提高芯片的成品率。它更多地利用了 EDA 系統(tǒng)來完成布局布線等工作，可以大大地減少設計工程師的工作量，因此它比較適合于小規(guī)模設計生產(chǎn)和實驗。

DSP（DigitalSingnalProcessor，數(shù)字信號處理器）是一種獨特的微處理器，有自己的完整指令系統(tǒng)，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件。一個數(shù)字信號處理器芯片內(nèi)包括有控制單元、運算單元、各種寄存器以及一定數(shù)量的存儲單元等等，在其外圍還可以連接若干存儲器，并可以與一定數(shù)量的外部設備互相通信，有軟、硬件的全面功能，本身就是一個微型計算機。DSP 采用的是哈佛結構設計，即數(shù)據(jù)總線和地址總線分開，使程序和數(shù)據(jù)分別存儲在兩個分開的空間，允許取指令和執(zhí)行指令完全重疊。也就是說在執(zhí)行上一條指令的同時就可取出下一條指令，并進行譯碼，這大大的提高了微處理器的速度。另外還允許在程序空間和數(shù)據(jù)空間之間進行傳輸，因為增加了器件的靈活性。其工作原理是接收模擬信號，轉(zhuǎn)換為“0”或“1”的數(shù)字信號，再對數(shù)字信號進行修改、刪除、強化，并在其他系統(tǒng)芯片中把數(shù)字數(shù)據(jù)解譯回模擬數(shù)據(jù)或?qū)嶋H環(huán)境格式。它不僅具有可編程性，而且其實時運行速度可達每秒數(shù)以千萬條復雜指令程序，遠遠超過通用微處理器，是數(shù)字化電子世界中日益重要的電腦芯片。它的強大數(shù)據(jù)處理能力和高運行速度，是最值得稱道的兩大特色。由于它運算能力很強，速度很快，體積很小，而且采用軟件編程具有高度的靈活性，因此為從事各種復雜的應用提供了一條有效途徑。當然，與通用微處理器相比，DSP 芯片的其他通用功能相對較弱些。

ARM（Advanced RISC Machines/microprocessor）嵌入式處理器是一種 32 位高性能、低功耗的 RISC（Reduced Instruction Se tComputing，精簡指令集）芯片，它由英國 ARM 公司設計，世界上幾乎所有的主要半導體廠商都生產(chǎn)基于 ARM 體系結構的通用芯片，或在其專用芯片中嵌入 ARM 的相關技術，如 TI、Motorola、Intel、Atmel、Samsung、Philips、Altera、Nec、Sharp、NS 等公司都有相應的產(chǎn)品。ARM 只是一個核，ARM 公司自己不生產(chǎn)芯片，采用授權方式給半導體生產(chǎn)商。目前，全球幾乎所有的半導體廠家都向 ARM 公司購買了 各種 ARM 核，配上多種不同的控制器（如 LCD 控制器、SDRAM 控制器、DMA 控制器等）和外設、接口，生產(chǎn)各種基于 ARM 核的芯片。目前，基于 ARM 核的各種處理器型號有好幾百種，在國內(nèi)市場上，常見的有 ST、TI、NXP、Atmel、Samsung、OKI、Sharp、Hynix、Crystal 等廠家的芯片。用戶可以根據(jù)各自的應用需求，從性能、功能等方面考察，在許多具體型號中選擇最合適的芯片來設計自己的應用系統(tǒng)。由于 ARM 核采用向上兼容的指令系統(tǒng)，用戶開發(fā)的軟件可以非常方便地移植到更高的 ARM 平臺。ARM 微處理器一般都具有體積小、功耗低、成本低、性能高、速度快的特點，目前 ARM 芯片廣泛應用于工業(yè)控制、無線通信、網(wǎng)絡產(chǎn)品、消費類電子產(chǎn)品、安全產(chǎn)品等領域，如交換機、路由器、數(shù)控設備、機頂盒、STB 及智能卡都采用了 ARM 技術，并在將來取得更廣泛的應用。

2、FPGA 的特點及優(yōu)勢

FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array（現(xiàn)場可編程門陣列）的縮寫，它是在 PAL、GAL、PLD 等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物，是專用集成電路（ASIC）中集成度最高的一種。FPGA 采用了邏輯單元陣列 LCA（Logic CellArray）這樣一個 新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊 CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊 IOB （InputOutputBlock）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個部分。用戶可對 FPGA 內(nèi)部的邏輯模塊和 I/O 模塊重新配置，以實現(xiàn)用戶的邏輯。它還具有靜態(tài)可重復編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改。作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路，F(xiàn)PGA 既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點?？梢院敛豢鋸埖闹v，F(xiàn)PGA 能完成任何數(shù)字器件的功能，上至高性能 CPU，下至簡單的 74 電路，都可以用 FPGA 來實現(xiàn)。FPGA 如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設計一個數(shù)字系統(tǒng)。通過軟件仿真，我們可以事先驗證設計的正確性。在 PCB 完成以后，還可以利用 FPGA 的在線修改能力，隨時修改設計而不必改動硬件電路。使用 FPGA 來開發(fā)數(shù)字電路，可以大大縮短設計時間，減少 PCB 面積，提高系統(tǒng)的可靠性。FPGA 是由存放在片內(nèi) RAM 中的程序來設置其工作狀態(tài)的，因此工作時需要對片內(nèi)的 RAM 進行編程。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，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 進入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA 恢復成白片，內(nèi)部邏輯關系消失，因此，F(xiàn)PGA 能夠反復使用。FPGA 的編程無須專用的 FPGA 編程器，只須用通用的 EPROM、PROM 編程器即可。當需要修改 FPGA 功能時，只需換一片 EPROM 即可。這樣，同一片 FPGA，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?？梢哉f，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。目前 FPGA 的品種很多，有 XILINX 的 XC 系列、TI 公司的 TPC 系列、ALTERA 公司的 FIEX 系列等。

3、他們的區(qū)別是什么呢？

DSP 主要是用來計算的，比如進行加密解密、調(diào)制解調(diào)等，優(yōu)勢是強大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運行速度。ARM 具有比較強的事務管理功能，可以用來跑界面以及應用程序等，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在控制方面，而 FPGA 可以用 VHDL 或 verilogHDL 來編程，靈活性強，由于能夠進行編程、除錯、再編程和重復操作，因此可以充分地進行設計開發(fā)和驗證。當電路有少量改動時，更能顯示出 FPGA 的優(yōu)勢，其現(xiàn)場編程能力可以延長產(chǎn)品在市場上的壽命，而這種能力可以用來進行系統(tǒng)升級或除錯。

任何信號處理器件性能的鑒定必須包括衡量該器件是否能在指定的時間內(nèi)完成所需的功能。這類評估中一種最基本的測量方法就是 1024 點快速傅立葉變換（FFT）處理時間的測量?？紤]一個具有 16 個抽頭的簡單 FIR 濾波器。該濾波器要求在每次采樣中完成 16 次乘積和累加（MAC）操作。德州儀器公司的 TMS320C6203DSP 具有 300MHz 的時鐘頻率，在合理的優(yōu)化設計中，每秒可完成大約 4 億至 5 億次 MAC 操作。這意味著 C6203 系列器件的 FIR 濾波具有最大為每秒 3100 萬次采樣的輸入速率。但在 FPGA 中，所有 16 次 MAC 操作均可并行執(zhí)行。對于 XILINX 的 Virtex 器件，16 位 MAC 操作大約需要配置 160 個結構可重置的邏輯塊（CLB），因此 16 個并發(fā) MAC 操作的設計實現(xiàn)將需要大約 2560 個 CLB。XCV300E 可輕松地實現(xiàn)上述配置，并允許 FIR 濾波器工作在每秒 1 億個樣本的輸入采樣速率下。

目前，無線通信技術的發(fā)展十分迅速，無線通信技術發(fā)展的理論基礎之一是軟件無線電技術，而數(shù)字信號處理技術無疑是實現(xiàn)軟件無線電技術的基礎。無線通信一方面正向語音和數(shù)據(jù)綜合的方向發(fā)展。另一方面，在手持 PDA 產(chǎn)品中越來越多地需要綜合移動技術。這一要求對應用于無線通信中的 FPGA 芯片提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，其中最重要的三個方面是功耗、性能和成本。為適應無線通信的發(fā)展需要，F(xiàn)PGA 系統(tǒng)芯片（System On a Chip，SOC）的概念、技術、芯片應運而生。利用系統(tǒng)芯片技術將盡可能多的功能集成在一片 FPGA 芯片上，使其性能上具有速率高、功耗低的特點，不僅價格低廉，還可以降低復雜性，便于使用。

實際上，F(xiàn)PGA 器件的功能早已超越了傳統(tǒng)意義上的膠合邏輯功能。隨著各種技術的相互融合，為了同時滿足運算速度、復雜度，以及降低開發(fā)難度的需求，目前在數(shù)字信號處理領域及嵌入式技術領域，F(xiàn)PGA 加 CPU 的配置模式已浮出水面，并逐漸成為標準的配置模式。

ARM 具有比較強的事務管理功能，可以用來跑界面以及應用程序等，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在控制方面，而 DSP 主要是用來計算的，比如進行加密解密、調(diào)制解調(diào)等，優(yōu)勢是強大的數(shù)據(jù)處理能力和較高的運行速度。FPGA 可以用 VHDL 或 verilogHDL 來編程，靈活性強，由于能夠進行編程、除錯、再編程和重復操作，因此可以充分地進行設計開發(fā)和驗證。當電路有少量改動時，更能顯示出 FPGA 的優(yōu)勢，其現(xiàn)場編程能力可以延長產(chǎn)品在市場上的壽命，而這種能力可以用來進行系統(tǒng)升級或除錯。

廣義的嵌入式無非幾種：傳統(tǒng)的什么 51、AVR、PIC 稱做嵌入式微控制器；ARM 是嵌入式微處理器；DSP；FPGA。

客觀的講，工作需求量上 DSP 的需求比 ARM 要多，而 ARM 和 FPGA 差不多。

DSP 因為數(shù)字處理與通信領域的空前發(fā)展而火暴，小到 MP3 射像頭，大到軍品里的控制器，應用面很廣。

FPGA 的兄弟一般做 ASIC，sopc. 而 ARM 單純說來并不比一個單片機強多少，但是它的獨特就在于不斷下降的價格和提升的性能。

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