浅谈FPGA技术的优势及其应用

中国船舶重工集团公司第七一五研究所 陈 木

浅谈FPGA技术的优势及其应用

中国船舶重工集团公司第七一五研究所 陈 木

本文系统的介绍了FPGA的发展历史,以及其作为一种新型的高密度器件所具有的主要优势,其高性能、低成本、灵活性、稳定性等特征使其在各类电子产品中被广泛的应用。

FPGA；信号处理

信息技术的迅速发展为人们使用现代数字信号处理技术实现快速信息处理提供了有效支持,数据采集和处理技术在其中发挥重要的作用。计算机科学技术的飞速发展使人们的生活日新月异,它促使人们采用数字信号处理技术实现快速的、海量的数据的处理,数据采集处理技术起着至关重要作用。所谓的数据采集系统就是完成模拟信号到计算机能识别的数字信号的一个转换系统,并且该系统要将转换得到的数字信号输入到计算机中,其中的模拟信号是从模拟传感器输出端获得,计算机根据不同的需求进行相应的计算处理,最终得出所需的数据。与此同时,显示或打印出计算机的数据,以便人们能够方便的监视某些物理量,计算机控制系统通过一些数据对生成过程中的某些物理量进行控制。

1 FPGA的产生与发展

上个世纪80年代中期,一种新型的高密度的器件FPGA逐步得到使用,它是在其他的一些可编程器件的基础上不断发展而产生的,比如可编程器件PAL、GAL与EPLD等。现在市场上对高性能芯片的要求越来越高以及工艺技术飞速发展,这些都促使FPGA快速的占有市场,只因其高速、低功耗的卓越性能。可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核,这是FPGA简化了的基本组成部分。FPGA的输入输出单元多为设置灵活的可编程式设置,其输入输出特性支持大多数的电气标准,更具灵活性。可编程的逻辑单元是可编程逻辑的基础,这些逻辑单元可以在内部进行相应的连接与配置。FPGA一般是基于SRAM工艺,其基本可编程逻辑单元通常由查找表(Look Up Table,LUT)和寄存器(Register)组成。FPGA的灵活性的提高以及应用范围的扩大是通过在 FPGA 中嵌入可编程RAM(Block RAM)来实现的。FPGA的各种结构都具有灵活的配置,这包括 FIFO(First In First Out)、双口RAM(Double Port RAM,DPRAM)、伪双口RAM(Pseudo DPRAM)、CAM (Content Addressable Memory)、和单口RAM(Single Port RAM,SPRAM)等。FPGA信号处理的驱动能力和数据传输速度取决于FPGA内部所有单元的布线连线长度和布线的工艺方式。像PLL、DLL、DPS和CPU这些单元都是通用度比较高的嵌入功能模块,称之为底层嵌入功能单元。而所谓内嵌专用硬核则不同于底层嵌入功能单元,大多数FPGA不包含此类硬核。比较常用的例子是SERDES (串并收发器)等专用硬核被集成于许多高级FPGA产品中,其目的在于适用高速通信总线和某些接口标准,进而大幅度提高FPGA的性能。

2 FPGA的主要优势

FPGA在使用方面存在诸多的优势。首先,其超越了DSP的运算能力,其运算模式非顺序执行,可在每个处理周期中完成更多的运算任务。BDTI公司是一家从事分析与基准测试的公司,其发布的报告显示,FPGA的处理方案和DSP相比更具经济性,可以节省2倍以上的成本支出。FPGA提供了更为快速的响应时间和专业化的功能,这是因为其在硬件层面控制输入与输出,用户再也不用通过自己定制ASIC设计从而浪费较长的时间,其想法可以通过硬件完成实验,因此更具灵活性。更让人感到欣慰的是高层次的软件工具降低了学习曲线,并提供能够实现高级控制与信号处理的IP核。在成本控制方面, FPGA的优势更为显著。原始的ASIC设计需要原始设备制造企业提供大量的芯片且投资巨大。可编程芯片在节省成本和时间上有着强大的优势。系统的需求时刻改变,但这对于可编程芯片来说并不是问题,毕竟相对于ASIC而言,这些改变所带来的成本几乎可以忽略不计。FPGA电路是真正的变成“硬”执行过程,因为软件工具提供了编程环境。传统的数据处理模式中,系统包含众多抽象层,计划任务以及共享资源等活动在多个进程之间进行。内存及带宽由系统层面控制而硬件等设备则归于驱动层面。对于给定的处理器内核,每次能且只能执行一个指令,且任务之间相互占有,系统稳定性存在着一定的风险。FPGA不同于上述情况,人物之间并行执行而每一次任务皆有确定性硬件,稳定性大大提升,且如上文所提及,FPGA不用重新设计ASIC,节省大量的人力物力,芯片可现场升级。

3 FPGA在电子产品中的应用

FPGA作为一种高效、专业、低廉、高稳定性的数据处理解决方案,在工业控制、网络安全、视频监控、广播电视以及汽车电子等方面有着广泛的应用。在视频监控方面,FPGA的应用是一个新的热点。在早期,国内大多数的视频监控设备多数使用DSP,而对于目前的情况, DSP已渐渐不能满足市场对于高分辨率视频编码及高通道的要求。而FPGA的广泛应用恰好完美地解决了DSP的不足,其硬件加速的方法和多通道压缩等特性被视频监控领域的诸多厂商所欢迎。一家视频监控设备公司的产品经理介绍说,FPGA已经是业内使用频率最高的视频监控产品的核心器件。其对于H.264算法有着独特的处理方案,也只有FPGA才可能构建起单芯片平台,完成设计方案。不仅如此,FPGA在网络安全平台的方面的应用同样广泛。在于众多网络安全公司负责人接触的过程中发现,FPGA已经成为众多网络安全公司平台开发的首选,其开放的架构、高稳定性能、低廉的成本受到众多企业的青睐。尽管商赛灵思、Altera及Actel这些FPGA器件生产商的知名度不如CPU或单片机,但FPGA的应用却已无处不在,许多科研院所,小到电子设备厂商,大到航空航天研究所,只要涉及到数字电路的设计,都能看到FPGA的身影。可以预见,随着科技的发展,FPGA的应用一定会更加广泛。

［1］周亚风,跃华,朱昊.基于FGPA的16阶FIR滤波器的设计［J］.南京工业大学学报,2005(1).

［2］金永贤.新型高速数据采集方法研究［J］.华东交通大学报,2002(12):13-16.

［3］戴明祯,数字信号处理的硬件实现［M］.北京:航空工业出版社,1998.