FPGA最初的應(yīng)用領(lǐng)域也是傳統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，通信領(lǐng)域，但隨著信息產(chǎn)業(yè)以及微電子計(jì)數(shù)發(fā)展，F(xiàn)PGA的應(yīng)用范圍編輯航空航天、汽車(chē)、醫(yī)療、工業(yè)控制等領(lǐng)域。下面分4個(gè)方面介紹FPGA的用武之地：視頻圖像處理、通信領(lǐng)域、數(shù)字信號(hào)處理和其他領(lǐng)域。

1. 視頻圖像處理領(lǐng)域

視頻圖像處理是多媒體領(lǐng)域中的熱門(mén)技術(shù)，因?yàn)橐曨l圖像處理的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大。基于這些大量的數(shù)據(jù)，可分為視頻編解碼和目標(biāo)識(shí)別兩大類(lèi)。

1.1 視頻編解碼

從信道容量的角度考慮數(shù)據(jù)的傳輸帶寬，如何壓縮圖像，采用什么樣的算法這已經(jīng)相對(duì)成熟了。目前正在用的視頻編解碼器可達(dá)數(shù)百種，但常用的還是少數(shù)的幾種。

MPEG-2

比如很老但還在使用的MPEG-2,主要在廣播信號(hào)和DVD電影的編碼，但隨著高清DVD逐漸采用VC-1和H.264標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行編碼，MPEG-2將會(huì)逐漸退出。

MPEG-4

相比MPEG-2，其能夠以更低的速率傳送視頻卻能保持相同的圖像質(zhì)量。它引入了描述 自然的或合成的對(duì)象等新概念來(lái)構(gòu)成場(chǎng)景，并支持與用戶(hù)交互，給視頻節(jié)目制作商提供了改進(jìn)的內(nèi)容保護(hù)功能和創(chuàng)建更加靈活、可復(fù)制內(nèi)容的能力。這些優(yōu)點(diǎn)，使得其在衛(wèi)星視頻傳送中得到應(yīng)用

H.264

它其實(shí)是MPEG-4中的第十部分，主要以其高數(shù)據(jù)壓縮率和質(zhì)量走紅。

還有一些JPEG等算法。

1.2 目標(biāo)識(shí)別

目標(biāo)識(shí)別主要是用來(lái)提取相關(guān)信息，比如圖像邊緣提取，同時(shí)結(jié)合一些人工智能等方面的知識(shí)，相對(duì)來(lái)講還是處在一個(gè)快速發(fā)展階段，也是圖像處理研究的前沿內(nèi)容。特別是移動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤技術(shù)，在機(jī)器人視覺(jué)、交通檢測(cè)、機(jī)器導(dǎo)航等民用領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，同時(shí)在火力攔截、導(dǎo)彈電視和紅外視頻制導(dǎo)等軍用方面也發(fā)揮著重要作用。

可識(shí)別的視頻行為包括：突然入侵、移動(dòng)物體、運(yùn)動(dòng)路徑、遺留物體、指向接近、移走物體六大類(lèi)檢測(cè)。試想，動(dòng)車(chē)上應(yīng)該也有這個(gè)視頻檢測(cè)技術(shù)，車(chē)頭應(yīng)該有檢測(cè)多少范圍內(nèi)前方是否有車(chē)，當(dāng)然這肯定不是視野范圍內(nèi)的，采用雷達(dá)或者其他測(cè)試手段，但是肯定有視頻圖像傳輸與識(shí)別制導(dǎo)系統(tǒng)。原因在這不探討，但是既然發(fā)生這樣撞尾事件，我們視頻檢測(cè)制導(dǎo)還是很有我們需要提高的，去努力的方向。

有人會(huì)說(shuō)，不是有專(zhuān)門(mén)的視頻處理的 DSP 器件么，DSP 書(shū)上說(shuō)它做這個(gè)，F(xiàn)PGA 也說(shuō)做這個(gè)，到底是哪個(gè)做這個(gè)？似乎有自夸自的嫌疑。對(duì)傳統(tǒng)上是采用 DSP 處理，只是我們列出的這些算法和應(yīng)用對(duì)計(jì)算性能的要求已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了傳統(tǒng) DSP 處理器的能力，即使采用高端的 DSP 處理器，如果將 DSP 單做這部分的話完全可以，只是在應(yīng)用中，DSP 做的事情比較多，這個(gè)時(shí)候，F(xiàn)PGA 就可以用做協(xié)處理器來(lái)承擔(dān)性能關(guān)鍵的處理工作。與標(biāo)準(zhǔn) DSP處理器相比，F(xiàn)PGA 構(gòu)造的并行計(jì)算特性可支持更高的采樣速率和更大的數(shù)據(jù)吞吐能力，同時(shí)計(jì)算功效也更高。

1.3 圖像處理支持資源

（1）相關(guān) IP 核

Xilinx 和 ALTERA 都提供了視頻 IP 核組，以供視頻監(jiān)控系統(tǒng)中快速設(shè)計(jì)、仿真、實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證視頻和圖像處理算法，其中包括設(shè)計(jì)用的基本基元和高級(jí)算法。

CCM、CFA插值、DPC :

Gamma Corrction

等等大量的IP資源。

2. 通信領(lǐng)域

通信領(lǐng)域是FPGA應(yīng)用的傳統(tǒng)領(lǐng)域，到如今依舊是FPGA應(yīng)用的熱點(diǎn)和研究的熱點(diǎn)。這里將無(wú)線通信領(lǐng)域分為有線通信領(lǐng)域和無(wú)線通信領(lǐng)域介紹。

2.1 有線通信

有線通信，顧名思義，借助線纜傳送信號(hào)的通信方式。線纜可以指金屬導(dǎo)線、光纖等有形媒質(zhì)傳送方式，信號(hào)可以指代聲音、文字、圖像等。
有線通信的另一種叫法稱(chēng)為固網(wǎng)，我們不得不信，很多的進(jìn)步都是基于很大的欲望的驅(qū)使，僅僅是十幾年的時(shí)間，全世界被一個(gè)叫做 Internet 的網(wǎng)絡(luò)給連接在一起。這是有線通信的最大的一個(gè)實(shí)例，當(dāng)然有線通信的例子還有一些我們近的不能再近的有線網(wǎng)絡(luò)，最開(kāi)始用的座機(jī)電話網(wǎng)、有線電視網(wǎng)等。
在維持和保證這些網(wǎng)絡(luò)給我們帶來(lái)幸福的同時(shí)，無(wú)形的促進(jìn)了一些技術(shù)的產(chǎn)生，這些技術(shù)包括交換機(jī)、路由器、防火墻、網(wǎng)關(guān)、數(shù)據(jù)收發(fā)器、高速接口等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備方面的開(kāi)發(fā)技術(shù)。有線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的好壞直接決定于這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的提高。當(dāng)年做網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的中興、華為如今已成為該領(lǐng)域的巨頭。
有線網(wǎng)絡(luò)如火如荼的發(fā)展了十幾年至到今天，雖說(shuō)已經(jīng)比較成熟了，但是依然充滿(mǎn)著很大的挑戰(zhàn)和沖擊，電信市場(chǎng)正在經(jīng)歷新一輪整合發(fā)展時(shí)期，因特網(wǎng)的需求仍在繼續(xù)推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新。目前，家庭視頻和高級(jí)商業(yè)服務(wù)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展對(duì)全球電信網(wǎng)絡(luò)的帶寬提出了更大挑戰(zhàn)。這一挑戰(zhàn)始于網(wǎng)絡(luò)接入邊緣，并直接延伸到城域網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)。為了響應(yīng)上述需求，運(yùn)營(yíng)商正在追求包括 40Gbps SONET(OC-768 和 OTU3)以及 40G 以太網(wǎng)在內(nèi)的更高的端口速率。越來(lái)越多的運(yùn)營(yíng)商更是將瞄準(zhǔn)了 100G 端口速率。
商業(yè)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展形勢(shì)迫切地需要可擴(kuò)展的、靈活的且高效益成本的技術(shù)解決方案，從而滿(mǎn)足電信行業(yè)不斷變化的需求和標(biāo)準(zhǔn)。為了跟上這些變化，加快超高帶寬系統(tǒng)的部署，有線通信設(shè)備生產(chǎn)商正在從傳統(tǒng)的專(zhuān)用集成電路（ASIC）和成品（ASSP）芯片轉(zhuǎn)向可編程硬件平臺(tái)和 IP 解決方案。

2.2 無(wú)線通信

在有線通信的基礎(chǔ)上，人們?cè)趥鬏斏蠟榱烁奖?、距離更遠(yuǎn)，無(wú)線通信技術(shù)在以前所未有的速度向前發(fā)展。無(wú)線發(fā)報(bào)機(jī)、BB 機(jī)、大哥大這些是我們很早用到的無(wú)線通信終端，再到我們現(xiàn)在用的 2G、3G 手機(jī)，已足以見(jiàn)得發(fā)展的迅猛。
無(wú)線系統(tǒng)通信類(lèi)型可以分為微波通信系統(tǒng)、無(wú)線電尋呼系統(tǒng)、蜂窩移動(dòng)通信、無(wú)繩電話系統(tǒng)、集群無(wú)線通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、分組無(wú)線網(wǎng)等典型的通信系統(tǒng)，其中的移動(dòng)通信技術(shù)在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛的應(yīng)用，從以模擬系統(tǒng)為特征的第一代帶今天的一征繳頻分復(fù)用接入（OFDMA）和多輸入多輸出（MIMO 為特征的第四代數(shù)字系統(tǒng)。其表現(xiàn)就是要求越來(lái)越高的數(shù)據(jù)服務(wù)。

為了滿(mǎn)足我們這個(gè)高數(shù)據(jù)率服務(wù)，有越來(lái)越大的寬帶無(wú)線接入技術(shù)的需求就浮出了，這就需要一個(gè)可以提供較寬處理帶寬，具有產(chǎn)品及時(shí)面市優(yōu)勢(shì)的靈活硬件平臺(tái)來(lái)滿(mǎn)足這些需求。
以上是從大方向的角度考慮 FPGA 在今后無(wú)線通信應(yīng)用領(lǐng)域的需求，細(xì)化起來(lái)，就設(shè)計(jì)到標(biāo)準(zhǔn)通信系統(tǒng)的各個(gè)模塊了，標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字通信系統(tǒng)框圖如圖：

從圖上分析信源、信宿、信源編譯碼，信道編譯碼一般屬于基帶，調(diào)制又可分為一級(jí)調(diào)制、二級(jí)調(diào)制，通過(guò)一級(jí)調(diào)制將信號(hào)調(diào)制到中頻，通過(guò)二級(jí)調(diào)制將信號(hào)調(diào)制到可以發(fā)射出去的射頻。

在基帶中涉及到如何將信號(hào)采樣，信號(hào)量化；各種信源編碼譯碼算法，比如簡(jiǎn)單點(diǎn) 等長(zhǎng)碼，復(fù)雜點(diǎn) 變長(zhǎng)碼，典型的是這個(gè) Huffman 編碼，圖像數(shù)據(jù)的話比如 MEPG-2、H.264等；信道編碼譯碼算法，又分為線性分組碼、循環(huán)碼、BCH 碼、卷積碼、糾正碼、交織、 Turbo 碼等等，典型 OFDM 系統(tǒng)中的用到這個(gè) RS 碼、LDPC 碼、交織等信道相關(guān)處理。

調(diào)制過(guò)程中用到這個(gè)調(diào)制方式，采用調(diào)頻、調(diào)幅還是調(diào)相，調(diào)相是采用是 QPSK 還是用更高效率的 NQPSK，以及相對(duì)應(yīng)的解調(diào)處理；還包括這些功能模塊在系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳送的通信接口協(xié)議，低速的有這個(gè)典型的 RS232，高速的有這個(gè)百兆千兆以太網(wǎng)、吉比特 IO、光纖等等。從上面的分析看出，F(xiàn)PGA 在通信系統(tǒng)領(lǐng)域的使用說(shuō)雖是傳統(tǒng)依然熱是有道理的，還需大家的力量融入其中。

2.3 通信領(lǐng)域支持資源

由于 FPGA 在通信領(lǐng)域的成熟性，不管是哪個(gè) FPGA 廠商，對(duì)通信領(lǐng)域的 IP 的支持都是很豐富的，這里將 Xilinx 和 altera 兩大巨頭在這個(gè)領(lǐng)域的支持的 IP 陳列出來(lái)，具體的 IP核功能描述大家可以參看附錄 XX。

AlteraIP:略

3.數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域

數(shù)字信號(hào)處理（Digital Signal Processing，DSP）。我們最初使用的系統(tǒng)都是模擬系統(tǒng)，比如第一代的移動(dòng)通信系統(tǒng)，以及最初用的模擬電視，還是黑白的。隨著數(shù)字時(shí)代的到來(lái)，很多模擬系統(tǒng)以及模擬產(chǎn)品都轉(zhuǎn)向了數(shù)字化，手機(jī)上也弄了一個(gè)模擬接收器，開(kāi)始轉(zhuǎn)向第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)。數(shù)字系統(tǒng)相比于模擬系統(tǒng)有如下幾大優(yōu)點(diǎn)：

（1） 抗干擾性強(qiáng)；
（2） 便于進(jìn)行各種數(shù)字信號(hào)處理；
（3） 易于實(shí)現(xiàn)集成化；
（4） 經(jīng)濟(jì)效益超過(guò)模擬通信
（5） 傳輸與交換可結(jié)合起來(lái)，傳輸電話與傳輸數(shù)據(jù)也可以結(jié)合起來(lái)，成為一個(gè)統(tǒng)一體，有利于實(shí)現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)通信網(wǎng)；
（6） 便于多路復(fù)用；

3.1 數(shù)字處理系統(tǒng)模型

數(shù)字系統(tǒng)雖然有這些優(yōu)點(diǎn)，但是我們實(shí)際傳送過(guò)程中還都是模擬信號(hào)，包括最開(kāi)始的信號(hào)來(lái)源，和最終傳送發(fā)送出去的信號(hào)都是模擬信號(hào)。所以我們要進(jìn)行數(shù)字處理，就必須采用兩種器件將我們這個(gè)模擬世界和數(shù)字世界給連接起來(lái)，這兩種器件分別是模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC和數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC。我們可以得到典型的數(shù)字信號(hào)處理的一個(gè)模型，如圖 。

模數(shù)轉(zhuǎn)化器 ADC 周期性的對(duì)輸入的模擬信號(hào)采樣，并做量化，其實(shí) ADC 是由采樣保持和量化編碼器構(gòu)成的。采樣需要滿(mǎn)足奈奎斯特采樣定理，采樣位寬數(shù)和采樣速率決定了后期數(shù)字信號(hào)處理的精度。
采樣得到的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)后，開(kāi)始在做 DSP 處理了，應(yīng)用不同，處理的算法和過(guò)程就不一樣，目前數(shù)字信號(hào)可以干的事情可以列表如表 。

從表中可以看出，廣泛的看幾乎是采用數(shù)字的系統(tǒng)和產(chǎn)品應(yīng)用里都涉及到數(shù)字信號(hào)的處理，包括表中還列出了前面我們講到的通信領(lǐng)域和視頻圖像處理領(lǐng)域相關(guān)的應(yīng)用，同時(shí)表中列出了通用領(lǐng)域的一些算法，這是數(shù)字信號(hào)處理較普遍性、較專(zhuān)對(duì)性的。
經(jīng)過(guò)數(shù)字信號(hào)處理之后，得到的仍然是數(shù)字信號(hào)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC將會(huì)對(duì)這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行模擬化后發(fā)送出去，在通信過(guò)程中一般是在射頻或是中頻做這個(gè)處理。

3.2DSP 實(shí)現(xiàn)方式

講到數(shù)字信號(hào)處理的實(shí)現(xiàn)方式很多人的第一反映就是數(shù)字信號(hào)處理器，就是我們這個(gè)硬件 DSP。沒(méi)錯(cuò)它是一個(gè)專(zhuān)門(mén)做數(shù)字信號(hào)處理的，但是除此之外，其實(shí)還有幾種做數(shù)字信號(hào)處理的方式，所以在本節(jié)最開(kāi)始的時(shí)候就講到大家要區(qū)分一下我們這里數(shù)字信號(hào)處理DSP和數(shù)字信號(hào)處理器 DSP，以免內(nèi)心一直存在這么一個(gè)糾結(jié)的問(wèn)題影響這一節(jié)的學(xué)習(xí)。

除了專(zhuān)用的硬件 DSP 外，通用微處理器、專(zhuān)用的 ASIC 硬件、還有專(zhuān)用的 FPGA也可以做數(shù)字信號(hào)處理。我們來(lái)一一分析一下。

通用處理器

首先是通用微處理器，也可以稱(chēng)為中央處理器（CPU）或者微處理器(MPU)，通過(guò)在處理器中運(yùn)行適當(dāng)?shù)?DSP 算法可以執(zhí)行 DSP 任務(wù)。特別是在近幾年來(lái)很火的 GPU，這個(gè)專(zhuān)門(mén)做圖像處理的處理器里，它內(nèi)部采用很多個(gè)處理器并行操作，在數(shù)字圖像的相關(guān)處理可謂相當(dāng)?shù)膶?zhuān)業(yè)，在一些高端顯卡里面一般都配置有 GPU。

ASIC 硬件

其次是專(zhuān)用的 ASIC 硬件，這一塊主要是客戶(hù)化的執(zhí)行 DSP 任務(wù)的硬件實(shí)現(xiàn)，相對(duì)來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)的功能單一，只能實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)定義好的功能。這一類(lèi)的器件比如數(shù)字濾波器芯片、數(shù)碼相機(jī)里的專(zhuān)用圖像處理芯片等等。但是優(yōu)點(diǎn)是功能經(jīng)過(guò)全面的驗(yàn)證，并優(yōu)化后，做成 ASIC化，運(yùn)行非常穩(wěn)定，速度也非常快。

專(zhuān)用的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP處理器）

第三種就是專(zhuān)用的數(shù)字信號(hào)處理器，它是一種特殊的微處理器芯片，經(jīng)過(guò)了專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)，執(zhí)行 DSP 任務(wù)時(shí)比通用的微處理器要快更高效，同時(shí)也比專(zhuān)用 ASIC 更加靈活。那么它特殊在哪里呢？在我們上一小節(jié)列舉的那些 DSP 算法中，有一個(gè)共同地方就是，需要大量的乘法和加法來(lái)完成，再怎么復(fù)雜的算法也都是有許許多多的這樣的乘加來(lái)構(gòu)成的。而乘法在硬件里用邏輯來(lái)搭建的話不管是面積上還是速度性能上都不是很理想，在通用的微處理器里，即使有硬件乘法器，數(shù)量也是有限，做其復(fù)雜算法來(lái)，速度性能上還是欠佳。于是硬件 DSP 這樣擁有大量的乘加結(jié)構(gòu)的處理器出現(xiàn)了，這就是它的特殊之處。

缺點(diǎn)：盡管是專(zhuān)門(mén)做數(shù)字信號(hào)處理的器件，但是它依然存在問(wèn)題，針對(duì)它的開(kāi)發(fā)依然是基于串行的任務(wù)隊(duì)列的軟件模式開(kāi)發(fā)，效率和靈活性依然有限。

專(zhuān)用的 FPGA硬件

第四種就是專(zhuān)用的 FPAG 硬件，剛才我們有講到列舉的那些 DSP 算法的一個(gè)共同特點(diǎn)是大量用到乘加操作，如果想要把 DSP 算法做好，確實(shí)是需要這些做這些乘加操作的硬件支持。細(xì)心的讀者會(huì)發(fā)現(xiàn)，這里說(shuō)的是專(zhuān)用的 FPGA 硬件，和之前在 FPGA 原理里提到的各種 FPGA 并沒(méi)有很大的出路，只是在它們的基礎(chǔ)上再添加了這些專(zhuān)用用來(lái)做 DSP 的乘加硬件，如圖

專(zhuān)用來(lái)做DSP的硬件

用 FPGA 來(lái)做數(shù)字信號(hào)處理的好處在于，完全是硬件化并行化編程操作，可以在速度和面積之間的轉(zhuǎn)變有很大的靈活性,在下一節(jié)里我們將通過(guò)一個(gè)例子來(lái)看看它的體現(xiàn)。

3.3 FPGA 做數(shù)字信號(hào)處理優(yōu)勢(shì)

這里給出 DSP 處理的最基本的乘加例子，實(shí)現(xiàn)的算方表達(dá)式如下：

Y=（A1?A2) +( A3?A4)

采用 FPGA 的并行機(jī)制，假設(shè)乘法器都是并行操作，我們得到如下圖實(shí)現(xiàn)的電路。從圖上我們看到，這種方式執(zhí)行的時(shí)間相當(dāng)與一個(gè)乘法器和一個(gè)加法器實(shí)現(xiàn)的時(shí)間，速度非?？欤撬麉s消耗了兩個(gè)乘法器和一個(gè)加法器。

由于 FPGA 的編程的靈活性，我們也可以采用 資源共享的方式來(lái)得到一個(gè)串行的實(shí)現(xiàn)電路

在圖中可以看到，它消耗了兩個(gè)二選一多路器、一個(gè)乘法器、一個(gè)加法器和一個(gè)觸發(fā)器。雖然多了兩個(gè)二選一多路器和一個(gè)觸發(fā)器，但是這資源比乘法器的資源還是節(jié)約了不少。但是它的速度就降下來(lái)了，通過(guò)開(kāi)關(guān) Sel 來(lái)控制，先做 A1 和 A2 的乘法，結(jié)果在時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下保留在寄存器中，然后翻轉(zhuǎn) Sel，再做 A3 和 A4 的乘法，結(jié)果和上次運(yùn)行的存放在寄存器中的結(jié)果做加法，在第二個(gè)時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)下存儲(chǔ)最終結(jié)果。這樣共享用一個(gè)乘法器，速度相比第一種情況慢，好的地方就是節(jié)約了面積。但是需要提的是，即使是這樣的共享式的實(shí)現(xiàn)速度也會(huì)比 DSP 專(zhuān)用芯片的軟實(shí)現(xiàn)速度要快。

相比之下得出，采用專(zhuān)用的 FPGA 做 DSP，不但可以在速度和面積上靈活調(diào)節(jié)，至少實(shí)現(xiàn)速度還是比專(zhuān)用的DSP 要快一點(diǎn)。通常我們很多場(chǎng)合，專(zhuān)用DSP 的使用還是如日中天，一個(gè)原因是我們專(zhuān)用的 FPGA 的做 DSP 的資源還不是很富足，二個(gè)原因是專(zhuān)用 DSP 的開(kāi)發(fā)采用的是軟件式開(kāi)發(fā)，而 FPGA 采用的是硬件開(kāi)發(fā)，這對(duì)很多工程師來(lái)講還是會(huì)選擇前者的，第三個(gè)原因是這個(gè)成本問(wèn)題，畢竟傳統(tǒng)的專(zhuān)用的 DSP 芯片比專(zhuān)用的 FPGA 芯片要便宜。

3.4 DSP 支持資源

各 FPGA 廠商對(duì)數(shù)字信號(hào)處理的資源支持還是比較強(qiáng)大的，這包括前面提到的在通信領(lǐng)域和圖像處理領(lǐng)域提供的支持資源，有相關(guān)的 IP 核、相關(guān)的使用工具和一些參考設(shè)計(jì)方案，這里我們就不再重復(fù)，只是做一些補(bǔ)充。

4.嵌入式領(lǐng)域

傳統(tǒng)的 控制系統(tǒng) 都是在 微處理器的控制下執(zhí)行各種控制和數(shù)據(jù)的處理應(yīng)用，這些微處理器包括單片機(jī)、ARM、PowerPC等等。隨著 FPGA 的使用普遍性，越來(lái)越多的系統(tǒng) 用 FPGA 作為高速數(shù)據(jù)接口 粘合以及做一些協(xié)同處理。出現(xiàn)了微處理器+FPGA 的片上系統(tǒng)的架構(gòu)。
通常這樣的架構(gòu)是在單板上設(shè)計(jì)，如下圖所示的一個(gè)系統(tǒng)：

單板系統(tǒng)

從圖上看到，除了微處理器外還有DSP 器件、FLASH與SDRAM 存儲(chǔ)器。系統(tǒng)安排CPU 做整體的控制，F(xiàn)PGA 做一些接口邏輯粘合和一些信號(hào)的預(yù)處理， DSPs 做一個(gè)復(fù)雜的算法，F(xiàn)LASH 和 SDRAM 分別作為程序存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)緩存。這樣的系統(tǒng)安排在一塊或者數(shù)塊 PCB 板上，不僅調(diào)試難度大，而且系統(tǒng)維護(hù)也不是方便。關(guān)鍵的問(wèn)題是電路板上如果有這么些器件的話，成本是一個(gè)問(wèn)題，而且占用了相當(dāng)?shù)拿娣e，增加了很多焊點(diǎn)，每一個(gè)焊點(diǎn)都是對(duì)電路的穩(wěn)定性構(gòu)成威脅。

于是，提出了一種 基于 FPGA 的片上系統(tǒng)的替代的方案，如圖所示

FPGA內(nèi)嵌DSP和CPU

在FPGA 內(nèi)部集成了CPU、DSP以及各種接口控制模塊，對(duì)有些存儲(chǔ)量要求不大的系統(tǒng)甚至外部的FLASH 和 SDRAM 都集成了。這樣做的思想會(huì)給帶來(lái)帶來(lái)哪些挑戰(zhàn)和機(jī)遇呢？這是我們接下來(lái)需要探討的問(wèn)題。

4.1 創(chuàng)新挑戰(zhàn)和機(jī)遇

傳統(tǒng)的嵌入式開(kāi)發(fā)完全是純軟件形式，而在 FPGA 平臺(tái)上，首先要面對(duì)的是怎么去規(guī)劃 FPGA，哪些是作為 CPU，如何實(shí)現(xiàn)？其實(shí)，系統(tǒng)中有硬件開(kāi)發(fā)部分和軟件開(kāi)發(fā)部分，如何在設(shè)計(jì)的時(shí)候支持這種硬件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言和軟件開(kāi)發(fā)語(yǔ)言混合驗(yàn)證，以保證系統(tǒng)正常工作？當(dāng)然這些問(wèn)題在現(xiàn)在來(lái)講已經(jīng)解決了，但是我們能夠帶著這些問(wèn)題來(lái)學(xué)習(xí)在后面的知識(shí)，這些問(wèn)題在后面支持資源里都能夠得到解答。
那么機(jī)遇在哪？剛才有提到，首先如果一個(gè)系統(tǒng)有如圖似的需求的時(shí)候，采用FPGA 內(nèi)嵌的方式占用的板級(jí)面積小，焊點(diǎn)少系統(tǒng)穩(wěn)定，同時(shí)成本相比低，當(dāng)然這里并不包括一些只需控制器做一些控制的系統(tǒng)和產(chǎn)品，如果將 FPGA 純當(dāng)一個(gè)控制器用的話，成本相對(duì)單片機(jī)、ARM 來(lái)說(shuō)還是有些高，這也是 FPGA 開(kāi)發(fā)的一個(gè)問(wèn)題，但是低端的 FPGA 芯片也能支持嵌入式處理器，資源有限。當(dāng)哪天 FPGA 價(jià)格能夠等同于這些微處理器的時(shí)候，這些微處理器也將面臨退役了。其實(shí)是它可以很靈活的配置硬件外設(shè)，用來(lái)做控制系統(tǒng)驗(yàn)證，對(duì)系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，非常有用。最后是對(duì)一個(gè)工程師來(lái)講，不但要會(huì)做硬件程序開(kāi)發(fā)還得會(huì)軟件開(kāi)發(fā)，于公司來(lái)講，更愿意招這樣的全才。
基于 FPGA 的嵌入式的優(yōu)點(diǎn)只有用的時(shí)候才能真正感受，同時(shí)，你也能感受其缺點(diǎn)。雖說(shuō)在建好硬件平臺(tái)的之后是軟件開(kāi)發(fā)，但是如果你是一個(gè)習(xí)慣于軟件開(kāi)發(fā)的工程師，相信這里的軟件開(kāi)發(fā)會(huì)讓你的意志力得到很大的提高，這種方式軟件開(kāi)發(fā)編譯過(guò)程比傳統(tǒng)嵌入式開(kāi)發(fā)要滿(mǎn)很多，這是各廠家有待需要提高的。

4.2 嵌入式支持資源

（1）硬核與軟核

硬核指的是一種專(zhuān)用的預(yù)定好的硬線邏輯塊實(shí)現(xiàn)的內(nèi)核，各好的理解就是直接將那位微處理器給放到 FPGA 芯片里。目前主流的 FPGA 廠商都會(huì)選擇一個(gè)特定的處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)硬核。如下表，開(kāi)發(fā)者可以直接在相關(guān)開(kāi)發(fā)平臺(tái)上使用這些硬核。

軟核與硬核不同，是將一組邏輯資源塊配置成一個(gè)微處理器。同時(shí)，還提供了很多外圍設(shè)備，比如定時(shí)器、中斷控制器、各種內(nèi)存控制器、各種通信接口驅(qū)動(dòng)等軟核，注意這里指代的軟核包括以 RTL 級(jí)網(wǎng)表形式，也包括布局布線后的 LUT 級(jí)形式。
需要說(shuō)明的是，相比于硬核，軟核的速度要慢一些，這很好理解，但是軟核更簡(jiǎn)單。在資源允許的情況下，我們可以配置多核，這個(gè)是硬核不行的，有多少個(gè)硬核你只能用幾個(gè)。同樣，主流的 FPGA 廠商也會(huì)做一個(gè)軟核，如表所示，其中 NIOS 是有 16 位和 32 位兩種架構(gòu)，分別支持 16 位和 32 位數(shù)據(jù)寬度，而 MicroBlaze 只有 32 位的架構(gòu)，Q90C1XX 確是一個(gè) 9 位的微控制器。