FPGA比單片機厲害嗎？

01 前言

做單片機開發(fā)的工程師，一般都會接觸FPGA。有讀者大概問了這樣的問題：FPGA能做什么？比單片機厲害嗎？

這么說吧，FPGA在某方面也能實現(xiàn)單片機做的事，在某些領域，F(xiàn)PGA遠比單片機強的多。當然，F(xiàn)PGA和單片機各有各的特點，在應用上也有一些區(qū)別，本文主要說下FPGA厲害的地方。

02 關(guān)于FPGA

FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）是一種可編程的硬件設備，通過編程可以定義其內(nèi)部邏輯電路的結(jié)構(gòu)和功能，具有高度的靈活性和可定制性。下面說說FPGA常見的幾大應用的領域：

通信系統(tǒng)

FPGA在通信領域的應用可以說是無所不能，得益于FPGA內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點，它可以很容易地實現(xiàn)分布式的算法結(jié)構(gòu)，這一點對于實現(xiàn)無線通信中的高速數(shù)字信號處理十分有利。

FPGA可以處理多種通信協(xié)議，如以太網(wǎng)、USB、PCI Express、SATA、HDMI等，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)傳輸。

因為在無線通信系統(tǒng)中，許多功能模塊通常都需要大量的濾波運算，而這些濾波函數(shù)往往需要大量的乘和累加操作。而通過FPGA 來實現(xiàn)分布式的算術(shù)結(jié)構(gòu)，就可以有效地實現(xiàn)這些乘和累加操作。

尤其是 Xilinx 公司的 FPGA 內(nèi)部集成了大量的適合通信領域的一些資源比如：基帶處理（通道卡）、接口和連接功能以及RF（射頻卡）三大類：

· 基帶處理資源基帶處理主要包括信道編解碼（LDPC、Turbo、卷積碼以及RS碼的編解碼算法）和同步算法的實現(xiàn)（WCDMA系統(tǒng)小區(qū)搜索等）。

· 接口和連接資源接口和連接功能主要包括無線基站對外的高速通信接口（PCI Express、以太網(wǎng)MAC、高速AD/DA接口）以及內(nèi)部相應的背板協(xié)議（OBSAI、CPRI、EMIF、LinkPort）的實現(xiàn)。

· RF應用資源RF應用主要包括調(diào)制/解調(diào)、上/下變頻（WiMAX、WCDMA、TD-SCDMA以及CDMA2000系統(tǒng)的單通道、多通道DDC/DUC）、削峰（PC-CFR）以及預失真（Predistortion）等關(guān)鍵技術(shù)的實現(xiàn)。

總而言之只要你FPGA學的好，在通信領域你絕對可以大展身手。

數(shù)字信號處理

FPGA在數(shù)字信號處理方面應用廣泛，包括濾波、FFT（快速傅里葉變換）、數(shù)字信號生成等。通過硬件加速技術(shù)，F(xiàn)PGA能夠?qū)崿F(xiàn)高速的數(shù)字信號處理，滿足通信、雷達、無線電等領域?qū)崟r性的要求。

在數(shù)字信號處理領域 FPGA 同樣所向披靡，主要是因為它的高速并行處理能力。FPGA最大優(yōu)勢是其并行處理機制，即利用并行架構(gòu)實現(xiàn)數(shù)字信號處理的功能。

這一并行機制使得 FPGA 特別適合于完成 FIR 等數(shù)字濾波這樣重復性的數(shù)字信號處理任務，對于高速并行的數(shù)字信號處理任務來說，F(xiàn)PGA性能遠遠超過通用 DSP 處理器的串行執(zhí)行架構(gòu)，還有就是它接口的電壓和驅(qū)動能力都是可編程配置的不像傳統(tǒng)的 DSP 要受指令集控制，因為指令集的時鐘周期的限制，不能處理太高速的信號，對于速率級為 Gbps的 LVDS 之類信號就難以涉及。所以在數(shù)字信號處理領域 FPGA 的應用也是十分廣泛的。

視頻圖像處理

隨著時代的變換，人們對圖像的穩(wěn)定性、清晰度、亮度和顏色的追求越來越高，像以前的標清（SD）慢慢演變成高清（HD），到現(xiàn)在人們更是追求藍光品質(zhì)的圖像。FPGA因其高速度和低功耗的優(yōu)勢，被廣泛應用于高速圖像采集、實時圖像處理、智能監(jiān)控和醫(yī)學圖像處理等應用。

這使得處理芯片需要實時處理的數(shù)據(jù)量越來越大，并且圖像的壓縮算法也是越來越復雜，使得單純的使用ASSP或者DSP已經(jīng)滿足不了如此大的數(shù)據(jù)處理量了。

這時FPGA的優(yōu)勢就凸顯出來了，它可以更加高效的處理數(shù)據(jù)，所以在圖像處理領域在綜合考慮成本后，F(xiàn)PGA也越來越受到市場的歡迎。

高速接口設計

其實看了FPGA在通信領域和數(shù)字信號處理領域的表現(xiàn)，我想大家也已應該猜到了在高速接口設計領域，F(xiàn)PGA必然也是有一席之地的。它的高速處理能力和多達成百上千個的IO決定了它在高速接口設計領域的獨特優(yōu)勢。

比如說我需要和PC端做數(shù)據(jù)交互，將采集到的數(shù)據(jù)送給PC機處理，或者將處理后的結(jié)果傳給PC機進行顯示。PC機與外部系統(tǒng)通信的接口比較豐富，如ISA、PCI、PCI Express、PS/2、USB等。

傳統(tǒng)的做法是對應的接口使用對應的接口芯片，例如PCI接口芯片，當我需要很多接口時我就需要多個這樣的接口芯片，這無疑會使我們的硬件外設變得復雜，體積變得龐大，會很不方便，但是如果使用FPGA優(yōu)勢立馬就出來了，因為不同的接口邏輯都可以在FPGA內(nèi)部去實現(xiàn)，完全沒必要那么多的接口芯片，在配合DDR存儲器的使用，將使我們接口數(shù)據(jù)的處理變得更加得心應手。

人工智能

如果大家比較喜歡關(guān)注科技板塊的新聞的話最近一定會被5G通信和人工智能充斥眼球，確實21世紀已經(jīng)不知不覺走到了2020年，在這二十年間，人工智能迅速發(fā)展，5G的順利研發(fā)也使人工智能如虎添翼，可以預見未來必將是人工智能的天下。