FPGA的應(yīng)用

FPGA 是可編程再設(shè)計(jì)的“萬(wàn)能”芯片。FPGA （Field Programmable Gate Array）現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列，是在硅片上預(yù)先設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的具有可編程特性的集成電路，它能夠按照設(shè)計(jì)人員的需求配置為指定的電路結(jié)構(gòu)，讓客戶(hù)不必依賴(lài)由芯片制造商設(shè)計(jì)和制造的 ASIC 芯片。

FPGA的核心優(yōu)點(diǎn)：可編程靈活性高、開(kāi)發(fā)周期短、并行計(jì)算可編程靈活性高。與ASIC的全定制電路不同，F(xiàn)PGA屬于半定制電路。理論上，如果FPGA提供的門(mén)電路規(guī)模足夠大，通過(guò)編程可以實(shí)現(xiàn)任意ASIC和DSP的邏輯功能。另外，編程可以反復(fù)，不像ASIC設(shè)計(jì)后固化不能修改。

由于FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，它可以很容易地實(shí)現(xiàn)分布式的算法結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)的高速數(shù)字信號(hào)處理十分有利。通過(guò)FPGA來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式的算術(shù)結(jié)構(gòu)，就可以有效地實(shí)現(xiàn)這些乘和累加操作。

FPGA自從誕生開(kāi)始便是工業(yè)設(shè)計(jì)的寵兒，特別是在通信，語(yǔ)音，圖像，人工智能等領(lǐng)域一直發(fā)揮著不可替代的作用。應(yīng)用場(chǎng)景較為豐富，包括：ASIC 原型設(shè)計(jì)、汽車(chē)、收發(fā)器、消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)中心、高性能計(jì)算、工業(yè)、醫(yī)療、測(cè)試/測(cè)量、有線/無(wú)線通信等。其中通信、消費(fèi)電子和汽車(chē)是主要應(yīng)用場(chǎng)景，市場(chǎng)規(guī)模持續(xù)擴(kuò)大。

AI領(lǐng)域

5G時(shí)代，人工智能領(lǐng)域的需求呈現(xiàn)持續(xù)快速爆發(fā)式增長(zhǎng)?；?a target="_blank">CPU的傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)無(wú)法充分滿足人工智能高性能并行計(jì)算的需求，F(xiàn)PGA是低功耗異構(gòu)芯片，開(kāi)發(fā)周期快，編程靈活，在AI領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

自動(dòng)駕駛

對(duì)于自動(dòng)駕駛來(lái)說(shuō)，反應(yīng)速度非常重要，主要用到攝像頭、雷達(dá)和激光雷達(dá)。且設(shè)備需要不斷更新，這時(shí)候FPGA的優(yōu)勢(shì)就凸顯出來(lái)了，可以配合算法實(shí)現(xiàn)快速更新。

5G通信

可編程的核心特性與5G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)對(duì)靈活性、性?xún)r(jià)比和智能化的需求不謀而合。很多通信業(yè)務(wù)的應(yīng)用場(chǎng)景是需要隨時(shí)升級(jí)的，與FPGA相比，ASIC的靈活性不夠，無(wú)法跟上算法的迭代更新，因此選擇 FPGA是一個(gè)更好的選擇。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)

FPGA在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域聚焦在五個(gè)方面：工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信，機(jī)器視覺(jué)，工業(yè)機(jī)器人，邊緣計(jì)算，工業(yè)云。這五個(gè)方面跨越多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景，且在每個(gè)場(chǎng)景有一個(gè)共性：低延時(shí)，對(duì)計(jì)算性能要求高?；谶@樣的特性，F(xiàn)PGA將成為構(gòu)建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基石之一。

數(shù)據(jù)中心

FPGA已經(jīng)在大型數(shù)據(jù)中心得到大規(guī)模應(yīng)用，全球七大超級(jí)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心包括微軟、阿里云、騰訊云、百度云、Facebook都采用了FPGA加速服務(wù)器。人工智能的廣泛應(yīng)用場(chǎng)景的架構(gòu)多樣性，可以充分發(fā)揮FPGA的優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，開(kāi)創(chuàng)新型FPGA在數(shù)據(jù)中心的新局面。

ARM應(yīng)用

ARM公司是一家知識(shí)產(chǎn)權(quán)（IP）供應(yīng)商，它與一般的半導(dǎo)體公司最大的不同就是不制造芯片且不向終端用戶(hù)出售芯片，而是通過(guò)轉(zhuǎn)讓設(shè)計(jì)方案，由合作伙伴生產(chǎn)出各具特色的芯片。ARM公司利用這種雙贏的伙伴關(guān)系迅速成為了全球性RISC微處理器標(biāo)準(zhǔn)的締造者。這種模式也給用戶(hù)帶來(lái)巨大的好處，因?yàn)橛脩?hù)只掌握一種ARM內(nèi)核結(jié)構(gòu)及其開(kāi)發(fā)手段，就能夠使用多家公司相同ARM內(nèi)核的芯片。

目前ARM CPU 在移動(dòng)端，物聯(lián)網(wǎng)，以及工業(yè)控制等領(lǐng)域占絕對(duì)的統(tǒng)治地位

工業(yè)控制

作為 32 位的 RISC 架構(gòu)，基于 ARM 核的微控制器芯片不但占據(jù)了高端微控制器市場(chǎng)的大部分市場(chǎng)份額，同時(shí)也逐漸向低端微控制器應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展， ARM 微控制器的低功耗、高性?xún)r(jià)比，向傳統(tǒng)的 8 位 /16 位微控制器提出了挑戰(zhàn)。

無(wú)線通訊

目前已有超過(guò) 85% 的無(wú)線通訊設(shè)備采用了 ARM 技術(shù)， ARM 以其高性能和低成本，在該領(lǐng)域的地位日益鞏固。

消費(fèi)類(lèi)電子

ARM 技術(shù)在目前流行的數(shù)字音頻播放器、數(shù)字機(jī)頂盒和游戲機(jī)中得到廣泛采用。

成像和安全產(chǎn)品

現(xiàn)在流行的數(shù)碼相機(jī)和打印機(jī)中絕大部分采用 ARM 技術(shù)。手機(jī)中的 32位 SIM 智能卡也采用了 ARM 技術(shù)。

內(nèi)嵌處理器硬核的FPGA

即SoC FPGA，是在芯片設(shè)計(jì)之初，就在內(nèi)部的硬件電路上添加了硬核處理器，是純硬件實(shí)現(xiàn)的，不會(huì)消耗FPGA的邏輯資源，硬核處理器和FPGA邏輯在一定程度上是相互獨(dú)立的，簡(jiǎn)單的說(shuō)，就是SoC FPGA就是把一塊ARM處理器和一塊FPGA芯片封裝成了一個(gè)芯片。

?ＡRM和FPGA 的結(jié)合更是給設(shè)計(jì)帶來(lái)了高性能，高靈活性等便利，而且也是目前非常流行的設(shè)計(jì)方式

?目前支持ARM-SOC的FPGA器件有：Xilinx-ZYNQ( Artis, Kintex,Ultra-scale), Intel( Cyclone-5,Arria-10)。

ZYNQ硬件資源（最主流SOC的芯片）

下面引用Xilinx官方UG585的框圖來(lái)介紹Zyqn的硬件資源：

PS端

PS即可編程系統(tǒng)部分，指的是ARM處理器部分。主要包括：

1、應(yīng)用處理器APU(Application Processor Unit)：

a、最高達(dá)雙核ARM Cortex-A9多核處理器CPU

b、DMA控制器

c、通用的中斷控制器等等

2、存儲(chǔ)器接口Memory Interface：

a、DDR內(nèi)存控制器接口，支持PS端的DDR內(nèi)存讀寫(xiě)控制。

b、QSPI接口：提供1-2個(gè)SPI接口，支持QSPI啟動(dòng)。

c、靜態(tài)存儲(chǔ)器控制器（Static Memory Controller）：提供了NAND存儲(chǔ)器的讀/寫(xiě)和控制功能。

3、外部I/O口 （I/O Peripherals）：

a、GPIO接口，PS端有54個(gè)通用GPIO接口，可以通過(guò)EMIO口擴(kuò)展到PL端128個(gè)GPIO接口，最多192個(gè)GPIO接口。ETH接口，以太網(wǎng)控制器接口

b、USB接口，2個(gè)USB接口，支持USB2.0設(shè)備。

c、SD卡接口，可以作為Zyqn的啟動(dòng)設(shè)備，存儲(chǔ)Linux系統(tǒng)等。

d、SPI接口，支持2個(gè)SPI接口。

e、CAN BUS工業(yè)接口。

f、UART接口X2,標(biāo)準(zhǔn)串口。

g、I2C接口。

4、內(nèi)部接口 （Interconnect）主要是針對(duì)于PL部分通信的AXI接口等等和EMIO接口等等。

PL端

PL即可編程邏輯部分，指的是FPGA部分。PL和PS兩者之間可以通過(guò)總線進(jìn)行通信。如果在進(jìn)行軟件調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)某些算法太慢，速度上不去，可以用FPGA的邏輯部分把這部分進(jìn)行優(yōu)化，從FPGA邏輯部分到ARM軟件開(kāi)發(fā)，可以在Xilinx的開(kāi)發(fā)環(huán)境里切換。

主要包括：

包括可配置邏輯單元CLB

BRAM資源

數(shù)字信號(hào)處理DSP48E1單元

CMT時(shí)鐘管理單元

Select I/O可配置的IO資源

GTX接口，低功耗的千兆收發(fā)器，最高可達(dá)12.5GB/s。

XADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器。

PCIE接口，可以配置PCIE接口。

ICF-BM7030

圍繞Zynq的硬件資源可以進(jìn)行開(kāi)發(fā)板和硬件單板的開(kāi)發(fā)，以7z030芯片為例，ICF-BM7030的開(kāi)發(fā)板資源如下：

開(kāi)發(fā)板集成和利用了大部分的PS和PL端接口，適合Zynq的研究項(xiàng)目和課題研究：

主芯片及外部接口標(biāo)注如下圖：

1：Xilinx Xc7z030-2ffg676I

2: 6位共陽(yáng)數(shù)碼管（PL）

3：電源 DC-12v/4A

4：千兆接口 （PL端）

5：語(yǔ)音輸入、輸出 （PL）

6：千兆接口（PS）

7：SD-CARD 接口（PS）

8：USB2.0高速接口（PS）

9：按鍵（PL）

10：開(kāi)關(guān)（PL）

11：FPGA/ARM-JTAG

12：GPIO （PL）

13：HDMI （PL）

14：FMC（LPC）

15：SFP+接口（PL）

16：RISC-V JTAG外部接口

17：RISC-V JTAG內(nèi)置USB接口，UART轉(zhuǎn)USB接口

SOC的發(fā)展趨勢(shì)

隨著高速數(shù)字信號(hào)通信和處理的需求和發(fā)展，以及對(duì)更為完善的便攜式系統(tǒng)的期望，構(gòu)架系統(tǒng)模塊的處理器就必須更加地強(qiáng)有力。這一要求對(duì)ARM和FPGA芯片市場(chǎng)提出了重要的挑戰(zhàn)，其中最重要的三個(gè)方面是FPGA的功耗、性能和成本。目前已有許多研究來(lái)平衡這三方面的要求，如利用系統(tǒng)芯片（SOC）可以將盡可能多的功能集成在一片F(xiàn)PGA芯片上或FPGA芯片集上，使其性能上具有速率高、功耗低;在成本上價(jià)格低廉;而且還可以降低復(fù)雜性，便于使用。

今后高速ARM加FPGA技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，將是以系統(tǒng)芯片為核心，信息處理速度將達(dá)到每秒幾十億次乘加運(yùn)算，因此，只有多系統(tǒng)芯片才能肩負(fù)此重任。嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)與SOC技術(shù)融合在一起，成為新一代信息技術(shù)的基礎(chǔ)?；贏RM加FPGA的嵌入式系統(tǒng)不僅具有其他微處理器和單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)特性，而且還可能利用并行算法操作，具有更高速的數(shù)字信號(hào)處理能力，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性提供了更為有利的支持。ARM加FPGA系統(tǒng)必將成為現(xiàn)在以及未來(lái)工業(yè)領(lǐng)域的重要支柱。

編輯：jq