FPGA并行计算可编程芯片

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什么是FPGA

前言

自FPGA诞生以来，FPGA（现场可编程门阵列）就引起了人们的关注。在1980年代中期，Ross Freeman和他的同事从Zilog购买了该技术，并创建了Xilinx，目标是ASIC仿真和教育市场。同时Altera以类似技术为核心成立。

直至今日，AMD 350亿美元（约2230亿人民币）收购赛灵思(Xilinx)则马上就要大功告成。原计划2021年底获得所有批准，但目前尚未完成，预计2022年第一季度完成交易。而早在2015年因特尔便宣布以167亿美元收购Altera。

Xilinx与Altera这两家公司共占有近90%的市场份额，专利达到6000余项之多，如此之多的技术专利构成的技术壁垒高不可攀。而Xilinx始终保持着全球FPGA的霸主地位，难以撼动！

一、FPGA是什么？

FPGA到底是什么？简单来说，就是一块可由工程师反复编程的逻辑器件，本体是一种数字集成电路，一个可以通过编程来改变内部结构的芯片。

FPGA本质也是一种芯片。

相信电子专业的同学都知道ASIC，也就是专用集成电路，ASIC一旦被设计好，其固定结构已经成型，后期将无法更改。而FPGA正是可以通过编程来改变内部结构，可以对后期的升级带来极大的便利。同样具备编程特点的器件如ARM、DSP等，这两者都是串行执行的，大家熟悉的有51单片机，stm32单片机都是串行执行。而FPGA最本质的特点就是为硬件而设计，我们对其编程改变的是其内部结构。并且FPGA是并行执行，FPGA的最大优势就在于其并行计算的特性。

二、FPGA基本结构

FPGA芯片主要由6部分完成，分别为：可编程输入输出单元、基本可编程逻辑单元、完整的时钟管理、嵌入块式RAM、丰富的布线资源、内嵌的底层功能单元和内嵌专用硬件模块。

1、可编程逻辑块

可编程构造表现为可编程逻辑块阵列，每个可编程模块都包含有许多数字功能，如查找表（LUT）、复用器、触发器。触发器可以被配置（编程）为寄存器或锁存器;复用器可以被配置为选择一个到逻辑块的输入或LUT的输出;LUT可以被配置为代表任何所要求的逻辑功能。

2、可编程输入/输出单元IOE

Altera器件IOE结构

Altera器件的输入输出结构：可配置成三态、输入／输出、双向IO

Altera器件中cyclone系列中的IOE结构是基本的输入、输出、使能的触发器结构。

3、嵌入式块RAM（BRAM）

大多数FPGA都具有内嵌的块RAM，这大大拓展了FPGA的应用范围和灵活性。块RAM可被配置为单端口RAM、双端口RAM、内容地址存储器（CAM）以及FIFO等常用存储结构。

FPGA 芯片内有两种存储器资源：一种叫 block ram, 另一种是由 LUT 配置成的内部存储器（也就是分布式 ram ）。 Block ram 由一定数量固定大小的存储块构成的，使用 BLOCK RAM 资源不占用额外的逻辑资源，并且速度快。但是使用的时候消耗的 BLOCK RAM 资源是其块大小的整数倍。

4、底层内嵌功能单元

内嵌功能模块主要是指DLL（Delay Locked Loop）、PLL（Phase Locked Loop）、DSP和CPU等软处理核

除此之外，FPGA内部还集成了一些其它资源：(1)FPGA片上存储器、(2)乘法累积模块，(3)片外存储器控制器，(4)高速串行收发器。

三、FPGA的应用

FPGA在数据采集和接口逻辑领域、电平接口领域、高性能数字信号处理领域都有着广泛的应用。

另外FPGA在人工智能时代也具有独特优势。FPGA可以做人脸识别、车牌识别、深度学习等前沿技术。

总结

FPGA偏硬件，用语言（verilog）或者图形（vhdl）描述硬件电路，适合做底层通信时快速的硬协议。个人感觉，今后国家的大趋势应该是恶补底层建筑，应用范围比较广。而且自学难度大，适合投入整个本科或研究生阶段去学。

FPGA在嵌入式领域的应用，只是FPGA广阔应用中很小的一部分。作为一名学生，FPGA更多的是作为载体，用来帮助你来学习和理解更多专业知识，并且提高自己的动手能力和技术水平。从这个角度来看，FPGA和MCU、DSP什么的并没有本质区别。

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