01 前言

做單片機(jī)開(kāi)發(fā)的工程師，一般都會(huì)接觸FPGA。有讀者大概問(wèn)了這樣的問(wèn)題：FPGA能做什么？比單片機(jī)厲害嗎？

這么說(shuō)吧，FPGA在某方面也能實(shí)現(xiàn)單片機(jī)做的事，在某些領(lǐng)域，F(xiàn)PGA遠(yuǎn)比單片機(jī)強(qiáng)的多。當(dāng)然，F(xiàn)PGA和單片機(jī)各有各的特點(diǎn)，在應(yīng)用上也有一些區(qū)別，本文主要說(shuō)下FPGA厲害的地方。

02 關(guān)于FPGA

FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列）是一種可編程的硬件設(shè)備，通過(guò)編程可以定義其內(nèi)部邏輯電路的結(jié)構(gòu)和功能，具有高度的靈活性和可定制性。下面說(shuō)說(shuō)FPGA常見(jiàn)的幾大應(yīng)用的領(lǐng)域：

通信系統(tǒng)

FPGA在通信領(lǐng)域的應(yīng)用可以說(shuō)是無(wú)所不能，得益于FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，它可以很容易地實(shí)現(xiàn)分布式的算法結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信中的高速數(shù)字信號(hào)處理十分有利。

FPGA可以處理多種通信協(xié)議，如以太網(wǎng)、USB、PCI Express、SATA、HDMI等，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。

因?yàn)樵跓o(wú)線通信系統(tǒng)中，許多功能模塊通常都需要大量的濾波運(yùn)算，而這些濾波函數(shù)往往需要大量的乘和累加操作。而通過(guò)FPGA 來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式的算術(shù)結(jié)構(gòu)，就可以有效地實(shí)現(xiàn)這些乘和累加操作。

尤其是 Xilinx 公司的 FPGA 內(nèi)部集成了大量的適合通信領(lǐng)域的一些資源比如：基帶處理（通道卡）、接口和連接功能以及RF（射頻卡）三大類：

· 基帶處理資源基帶處理主要包括信道編解碼（LDPC、Turbo、卷積碼以及RS碼的編解碼算法）和同步算法的實(shí)現(xiàn)（WCDMA系統(tǒng)小區(qū)搜索等）。

· 接口和連接資源接口和連接功能主要包括無(wú)線基站對(duì)外的高速通信接口（PCI Express、以太網(wǎng)MAC、高速AD/DA接口）以及內(nèi)部相應(yīng)的背板協(xié)議（OBSAI、CPRI、EMIF、LinkPort）的實(shí)現(xiàn)。

· RF應(yīng)用資源RF應(yīng)用主要包括調(diào)制/解調(diào)、上/下變頻（WiMAX、WCDMA、TD-SCDMA以及CDMA2000系統(tǒng)的單通道、多通道DDC/DUC）、削峰（PC-CFR）以及預(yù)失真（Predistortion）等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。

總而言之只要你FPGA學(xué)的好，在通信領(lǐng)域你絕對(duì)可以大展身手。

數(shù)字信號(hào)處理

FPGA在數(shù)字信號(hào)處理方面應(yīng)用廣泛，包括濾波、FFT（快速傅里葉變換）、數(shù)字信號(hào)生成等。通過(guò)硬件加速技術(shù)，F(xiàn)PGA能夠?qū)崿F(xiàn)高速的數(shù)字信號(hào)處理，滿足通信、雷達(dá)、無(wú)線電等領(lǐng)域?qū)?shí)時(shí)性的要求。

在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域 FPGA 同樣所向披靡，主要是因?yàn)樗母咚俨⑿刑幚砟芰?。FPGA最大優(yōu)勢(shì)是其并行處理機(jī)制，即利用并行架構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的功能。

這一并行機(jī)制使得 FPGA 特別適合于完成 FIR 等數(shù)字濾波這樣重復(fù)性的數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)，對(duì)于高速并行的數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用 DSP 處理器的串行執(zhí)行架構(gòu)，還有就是它接口的電壓和驅(qū)動(dòng)能力都是可編程配置的不像傳統(tǒng)的 DSP 要受指令集控制，因?yàn)橹噶罴臅r(shí)鐘周期的限制，不能處理太高速的信號(hào)，對(duì)于速率級(jí)為 Gbps的 LVDS 之類信號(hào)就難以涉及。所以在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域 FPGA 的應(yīng)用也是十分廣泛的。

視頻圖像處理

隨著時(shí)代的變換，人們對(duì)圖像的穩(wěn)定性、清晰度、亮度和顏色的追求越來(lái)越高，像以前的標(biāo)清（SD）慢慢演變成高清（HD），到現(xiàn)在人們更是追求藍(lán)光品質(zhì)的圖像。FPGA因其高速度和低功耗的優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于高速圖像采集、實(shí)時(shí)圖像處理、智能監(jiān)控和醫(yī)學(xué)圖像處理等應(yīng)用。

這使得處理芯片需要實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，并且圖像的壓縮算法也是越來(lái)越復(fù)雜，使得單純的使用ASSP或者DSP已經(jīng)滿足不了如此大的數(shù)據(jù)處理量了。

這時(shí)FPGA的優(yōu)勢(shì)就凸顯出來(lái)了，它可以更加高效的處理數(shù)據(jù)，所以在圖像處理領(lǐng)域在綜合考慮成本后，F(xiàn)PGA也越來(lái)越受到市場(chǎng)的歡迎。

高速接口設(shè)計(jì)

其實(shí)看了FPGA在通信領(lǐng)域和數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的表現(xiàn)，我想大家也已應(yīng)該猜到了在高速接口設(shè)計(jì)領(lǐng)域，F(xiàn)PGA必然也是有一席之地的。它的高速處理能力和多達(dá)成百上千個(gè)的IO決定了它在高速接口設(shè)計(jì)領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

比如說(shuō)我需要和PC端做數(shù)據(jù)交互，將采集到的數(shù)據(jù)送給PC機(jī)處理，或者將處理后的結(jié)果傳給PC機(jī)進(jìn)行顯示。PC機(jī)與外部系統(tǒng)通信的接口比較豐富，如ISA、PCI、PCI Express、PS/2、USB等。

傳統(tǒng)的做法是對(duì)應(yīng)的接口使用對(duì)應(yīng)的接口芯片，例如PCI接口芯片，當(dāng)我需要很多接口時(shí)我就需要多個(gè)這樣的接口芯片，這無(wú)疑會(huì)使我們的硬件外設(shè)變得復(fù)雜，體積變得龐大，會(huì)很不方便，但是如果使用FPGA優(yōu)勢(shì)立馬就出來(lái)了，因?yàn)椴煌慕涌谶壿嫸伎梢栽贔PGA內(nèi)部去實(shí)現(xiàn)，完全沒(méi)必要那么多的接口芯片，在配合DDR存儲(chǔ)器的使用，將使我們接口數(shù)據(jù)的處理變得更加得心應(yīng)手。

人工智能

如果大家比較喜歡關(guān)注科技板塊的新聞的話最近一定會(huì)被5G通信和人工智能充斥眼球，確實(shí)21世紀(jì)已經(jīng)不知不覺(jué)走到了2020年，在這二十年間，人工智能迅速發(fā)展，5G的順利研發(fā)也使人工智能如虎添翼，可以預(yù)見(jiàn)未來(lái)必將是人工智能的天下。