2018.9.1 初识FPGA --xilinx zynq为例

–文中参考xilinx datasheet 以及百度百科，如有错误之处还请不吝赐教！
1.什么是FPGA
FPGA(Field-Programmable Gate Array)，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

2.FPGA内部结构
以xilinx zynq为例(zynq 包含PS 和 PL，这里只说PL端)，查看官方Data sheet的分类，主要包括以下内容：
输入/输出模块 Input/Output Blocks (IOB)
可配置逻辑单元 Configurable Logic Blocks (CLB)
36 Kb Block RAM
DSP Blocks
JTAG Boundary-Scan
PCI Express® Block
Serial Transceivers
12位数模转化Two 12-Bit Analog-to-Digital Converters

3.FPGA的基本特点
1)采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。
2)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。
3)FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。
4)FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。
5) FPGA采用高速CMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

4.FPGA的优势
1)通信高速接口设计。FPGA可以用来做高速信号处理，一般如果AD采样率高，数据速率高，这时就需要FPGA对数据进行处理，比如对数据进行抽取滤波，降低数据速率，使信号容易处理，传输，存储。
2)数字信号处理。包括图像处理，雷达信号处理，医学信号处理等。优势是实时性好，用面积换速度，比CPU快的多。
3)更大的并行度。这个主要是通过并发和流水两种技术实现。并发是指重复分配计算资源，使得多个模块之间可以同时独立进行计算。

5.FPGA的三个主要方向
1）第一个方向，也是传统方向主要用于通信设备的高速接口电路设计，这一方向主要是用FPGA处理高速接口的协议，并完成高速的数据收发和交换。这类应用通常要求采用具备高速收发接口的FPGA，同时要求设计者懂得高速接口电路设计和高速数字电路板级设计，具备EMC/EMI设计知识，以及较好的模拟电路基础，需要解决在高速收发过程中产生的信号完整性问题。FPGA最初以及到目前最广的应用就是在通信领域，一方面通信领域需要高速的通信协议处理方式，另一方面通信协议随时在修改，非常不适合做成专门的芯片。因此能够灵活改变功能的FPGA就成为首选。到目前为止FPGA的一半以上的应用也是在通信行业。
2）第二个方向，可以称为数字信号处理方向或者数学计算方向，因为很大程度上这一方向已经大大超出了信号处理的范畴。例如早就在2006年就听说老美将FPGA用于金融数据分析，后来又见到有将FPGA用于医学数据分析的案例。在这一方向要求FPGA设计者有一定的数学功底，能够理解并改进较为复杂的数学算法，并利用FPGA内部的各种资源使之能够变为实际的运算电路。目前真正投入实用的还是在通信领域的无线信号处理、信道编解码以及图像信号处理等领域，其它领域的研究正在开展中，之所以没有大量实用的主要原因还是因为学金融的、学医学的不了解这玩意。不过最近发现欧美有很多电子工程、计算机类的博士转入到金融行业，开展金融信号处理，相信随着转入的人增加，FPGA在其它领域的数学计算功能会更好的发挥出来，而我也有意做一些这些方面的研究。不过国内学金融的、学医的恐怕连数学都很少用到，就不用说用FPGA来帮助他们完成数学_运算了，这个问题只有再议了。
3）第三个方向就是所谓的SOPC方向，其实严格意义上来说这个已经在FPGA设计的范畴之内，只不过是利用FPGA这个平台搭建的一个嵌入式系统的底层硬件环境，然后设计者主要是在上面进行嵌入式软件开发而已。设计对于FPGA本身的设计时相当少的。但如果涉及到需要在FPGA做专门的算法加速，实际上需要用到第二个方向的知识，而如果需要设计专用的接口电路则需要用到第一个方向的知识。

6.实验室方向
目前主要有三个方向：
1.RISC-V 基于精简指令集计算(RISC)原理建立的开放指令集架构(ISA)，更简单、更快、更低功耗的硬件，且具有免费、开放、简单的指令集架构，主要是负责一些教学方面的研究。
2.深度学习，神经网络加速，具有代表性的CNN、YOLO，以及视频编解码的后处理。
3.类脑计算，是指仿真、模拟和借鉴大脑生理结构和信息处理过程的装置、模型和方法，其目标是制造类脑计算机和类脑智能，这方面比较前沿，还在摸索调研学习中，但小伙伴已经搭建好了蚁群的mpi、pynn，相信后面也会继续不断的去开展相关工作。

相关学习资料推荐：
1.ZIRCON 皓石科技的资料下载：http://www.fpga.gs/h-col-116.html
2.crazybingo 老师的《FPGA设计技巧与案例开发详解》
3.特权老师的 《深入浅出玩转FPGA》
4.NingHeChuan 的微信订阅号：开源FPGA