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fpga简介

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发表于 2023-6-23 01:41:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
FPGA的发展经历了四代数字集成电路的发展,第一代为PAL(Programmable Array Logic,PAL),第二代为GAL(Generic Array Logic,GAL),第三代为CPLD(Complex Programmable Logic Device,CPLD),FPGA是以这三种可编程逻辑器件为技术基础发展而成。FPGA在专用集成电路的领域中,属于半刻制电路,可以更改电路结构,它的优势在于克服了专用集成电路的无可重构性,又弥补了其它可编程逻辑芯片的门电路数量受限的问题,成为了主流的可编程逻辑器件。
目前有两种主流的编程语言可以描述逻辑电路,VerilogVHDL,通过编写硬件描述语言,通过EDA开发工具,进行电路的布局、布线,快速通过FPGA进行电路的逻辑验证,测试流程成为了目前电路设计和验证的主流方式。FPGA作为主流的可编程逻辑器件,由基本的数字门电路组成,如与或非门、异或、同或门等,内部还集成更复杂的数字逻辑,如编译码器等组合逻辑电路,由触发器构成的时序逻辑电路等。
目前FPGA主要应用在以下六大领域:
1. 在通信领域中,许多功能模块通常需要大量的算术运算,如基带处理信道编解码,如5G NR的数据信道编码LDPC(Low-Density Parity-Check,LDPC),控制面的信令编码Turbo码、卷积码和RS(Reed-solomon,RS)码的编解码算法等;5G NR中实现上下行链路同步的算法,如主同步信号PSS、辐同步信号SSS以及DMRS信号的生成和解调都可以基于FPGA实现;5G NR的基站与其它设备通信的高速接口,如PCIE(Peripheral Component Interconnect Express)接口、以太网 MAC(Medium Access Control,MAC)接口以及高速 AD/DA接口等;以及OFDM符号的调制解调,快速傅里叶变换和反变换的过程等。
2. 在数字信号处理领域,基于FPGA强大的并行处理能力和高速的处理效率,利用此优势可以实现多种数字信号处理的任务。适合完成 FIR(Finite Impulse Response,FIR) 等数字滤波这类对数据速率和计算能力要求较高的任务。FPGA相比与DSP具有明显的优势,FPGA可实现并行架构的数字信号处理,而DSP处理器采用串行处理架构。
3. 在视频图像处理领域,目前对图像的像素质量要求越来越高,处理芯片需要保证实时性,并且处理的数据量大,图像的压缩算法变得越来越复杂,使用单一的ASSP(Application Specific Standard Parts,ASSP)芯片或者DSP已经无法满足在规定时间内处理大量数据。而FPGA凭借并行处理特性,可以快速处理高清图像。
4. 在高速接口设计领域,FPGA凭借高速处理能力和多达成百上千个IO(Input/Output,IO)决定在高速接口设计领域的独特优势。如PC机处理外界数据,在有线通信领域PC机和外设做数据传递,两个设备进行数据交互的过程,需要通过各种高速接口来完成。如FPGA可以实现PS/2、PCI、PCIE、ISA(Instruction Set Architecture,ISA)和USB 等高速接口。
5. 在人工智能领域,例如自动驾驶,需要对行驶路线、红绿灯、路障和行驶速度等各种交通信号进行采集,用到多种传感器,对这些传感器进行综合驱动和融合处理如果采用FPGA,处理数据时延会大大降低。又如智能机器人,需要对图像进行采集和处理,或者对声音信号进行处理等都需要使用FPGA。
6. 在IC 验证领域,芯片设计的版图在发厂开模之前,将芯片设计文件代码固化到FPGA,使用EDA开发工具进行布局布线,生成硬件电路图,通过生成的bit流文件,固化至FPGA芯片进行功能验证,FPGA 生成的电路接近真实的IC芯片,FPGA的使用提高了芯片设计的成功率。

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