2021-08-10

【嵌牛导读】：嵌入式的底层FPGA

【嵌牛鼻子】：FPGA

【嵌牛提问】：FPGA是什么？

【嵌牛正文】：FPGA是一种数字集成电路芯片，英文全称为Field Programmable Gate Array，中文名称为“现场可编程逻辑门阵列”。FPGA是数字电路的物理实现方式之一。与数字电路的另一种重要实现方式ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）芯片相比，FPGA的一项重要特点是其可编程特性，即用户可通过程序指定FPGA实现某一特定数字电路。

FPGA的内部组成有：CLB（Configurable Logic Block），IOB（I/O Blocks），可编程互联资源（ProgrammableInterconnect），SRAM，DSP，时钟管理模块。这些组成单元在不同型号的FPGA中有所区别，但大同小异，另外，某些型号的FPGA中还可能含有嵌入式处理器，音视频编解码器等电路。下面将以Xilinx公司的XC4000 FPGA为例，介绍FPGA的内部结构。图2所示为XC4000 FPGA的基本内部机构，为讲述方便，图中只绘制了CLB，IOB，和可编程互联资源。CLB内包含有Filp-Flop和LUT等，可实现某些组合或时序逻辑电路；IOB与芯片引脚相连，内部含有缓冲和三态门等电路。可编程逻辑资源将众多IOB与CLB彼此互联，实现完整的电路功能。

FPGA开发编程语言：设计FPGA的常用编程语言有Verilog HDL和VHDL，其中Verilog HDL为国内常用。此外，System Verilog，Xilinx HLS，Chisel等也可以作为FPGA的编程语言，但它们并未被广泛使用。与C/C++，Jave，Python等计算机编程语言不同的是，FPGA编程语言属于硬件编程语言，因此在使用FPGA编程语言时不能照搬软件设计思路。

FPGA应用范围：

1.算法加速：与普通处理器性比，FPGA可实现高速的并行计算，且具有GPU缺乏的低功耗特性，这使FPGA成为算法加速的重要选择。较为典型的应用是，FPGA加速神经网络的计算。

2.芯片验证：芯片设计流片前，为验证芯片开发的正确性，往往需要经芯片的设计代码运行于FPGA并检测运行是否正常。

3.通信领域：FPGA较为适合实现某些通信协议，因此FPGA通常被用于通信基站或终端中。

4.武器：FPGA的高速运算特性可某些武器的实时性需求，如FPGA用于导弹制导中。