FPGA到底是什么？FPGA有哪些优势

现场可编程门阵列（FPGA）技术不断呈现增长势头。 1984年Xilinx刚刚创造出FPGA时，它还是简单的胶合逻辑芯片，而如今在信号处理和控制应用中，它已经取代了自定制专用集成电路（ASIC）和处理器。 这项技术的成功之处到底在哪里？ 本文将主要介绍FPGA，并着重描述FPGA的独特优势。

1. 什么是FPGA？

在最高层面上，FPGA是可重新编程的硅芯片。 使用预建的逻辑块和可重新编程布线资源，用户无需再使用电路试验板或烙铁，就能配置这些芯片来实现自定义硬件功能。 用户在软件中开发数字计算任务，并将它们编译成配置文件或比特流，其中包含元器件相互连接的信息。此外，FPGA可完全可重配置，当用户在重新编译不同的电路配置时，能够当即呈现全新的特性。 过去，只有熟知数字硬件设计的工程师懂得使用FPGA技术。 然而，高层次设计工具的兴起正在改变FPGA编程的方式，其中的新兴技术能够将图形化程序框图、甚至是C代码转换成数字硬件电路。

各行各业纷纷采用FPGA芯片是源于FPGA融合了ASIC和基于处理器的系统的最大优势。 FPGA能够提供硬件定时的速度和稳定性，且无需类似自定制ASIC设计的巨额前期费用的大规模投入。 可重新编程的硅芯片的灵活性与在基于处理器的系统上运行的软件相当，但它并不受可用处理器内核数量的限制。与处理器不同的是，FPGA属于真正的并行实行，因此不同的处理操作无需竞争相同的资源。 每个独立的处理任务都配有专用的芯片部分，能在不受其它逻辑块的影响下自主运作。因此，添加更多处理任务时，其它应用性能也不会受到影响。

2. FPGA技术的五大优势

性能、上市时间、成本、稳定性、长期维护

性能— 利用硬件并行的优势，FPGA打破了顺序执行的模式，在每个时钟周期内完成更多的处理任务，超越了数字信号处理器（DSP）的运算能力。 著名的分析与基准测试公司BDTI，发布基准表明在某些应用方面，FPGA每美元的处理能力是DSP解决方案的多倍。2在硬件层面控制输入和输出（I/ O）为满足应用需求提供了更快速的响应时间和专业化的功能。

上市时间— 尽管上市的限制条件越来越多，FPGA技术仍提供了灵活性和快速原型的能力。 用户可以测试一个想法或概念，并在硬件中完成验证，而无需经过自定制ASIC设计漫长的制造过程。3由此用户就可在数小时内完成逐步的修改并进行FPGA设计迭代，省去了几周的时间。 商用现成（COTS）硬件可提供连接至用户可编程FPGA芯片的不同类型的I/O。 高层次的软件工具的日益普及降低了学习曲线与抽象层，并经常提供有用的IP核（预置功能）来实现高级控制与信号处理。

成本— 自定制ASIC设计的非经常性工程（NRE）费用远远超过基于FPGA的硬件解决方案所产生的费用。 ASIC设计初期的巨大投资表明了原始设备制造商每年需要运输数千种芯片，但更多的最终用户需要的是自定义硬件功能，从而实现数十至数百种系统的开发。可编程芯片的特性意味着用户可以节省制造成本以及漫长的交货组装时间。 系统的需求时时都会发生改变，但改变FPGA设计所产生的成本相对ASCI的巨额费用来说是微不足道的。

稳定性— 软件工具提供了编程环境，FPGA电路是真正的编程“硬”执行过程。 基于处理器的系统往往包含了多个抽象层，可在多个进程之间计划任务、共享资源。 驱动层控制着硬件资源，而操作系统管理内存和处理器的带宽。对于任何给定的处理器内核，一次只能执行一个指令，且基于处理器的系统时刻面临着严格限时的任务相互取占的风险。 而FPGA不使用操作系统，拥有真正的并行执行和专注于每一项任务的确定性硬件，可减少稳定性方面出现问题的可能。

长期维护— 正如上文所提到的， FPGA芯片是现场可升级的，无需重新设计ASIC所涉及的时间与费用投入。 举例来说，数字通信协议包含了可随时间改变的规范，而基于ASIC的接口可能会造成维护和向前兼容方面的困难。可重新配置的FPGA芯片能够适应未来需要作出的修改。 随着产品或系统成熟起来，用户无需花费时间重新设计硬件或修改电路板布局就能增强功能。

3. 总结

较高级别的工具不断改进，为各个专业水平的工程师和科学家带来可重新编程的硅芯片，FPGA技术的采用也越来越为广泛。