與典型的微控制器相比，現(xiàn)場可編程門陣列FPGA是一種能夠提供更強性能和靈活性的器件，本文通過解答幾個有關(guān)FPGA的常見問題——什么是FPGA、為什么我會需要FPGA、如何為FPGA編程——為開發(fā)者提供FPGA入門所需的基本概念和知識。

如果您是二元思維的人，那么不要錯過第1到4部分內(nèi)容。在這篇博客中，我將簡單介紹我最感興趣的電子器件：現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。

當(dāng)我和人們談起FPGA時，我聽到很多人說：“我不知道它們的工作原理”、“它們太復(fù)雜了”、“我無法用C語言編程”。我不希望看到這樣一種神奇的器件遭受如此冷遇，因此下面我將嘗試解答一些常見問題（FAQ）。

問題1：什么是現(xiàn)場可編程門陣列？

詳細解答如下：顧名思義，有人推斷它是可編程的邏輯門結(jié)構(gòu)。這種解釋很接近，但又不太準確，因為內(nèi)部邏輯陣列實際并不是利用門來實現(xiàn)的。相反，我們將陣列中的這些塊稱為“邏輯單元”。這些邏輯單元通常由查找表 （LUT）（用于實現(xiàn)任意邏輯功能）以及一些輔助電路（例如多路復(fù)用器、加法器和觸發(fā)器）構(gòu)成。您會經(jīng)常聽到人們將這種邏輯單元陣列稱為“FPGA結(jié)構(gòu)”。

簡而言之，我可以將FPGA比作一個盒子，里面裝有各種沒有商標、用于構(gòu)建數(shù)字電路的彩色構(gòu)件。我可以通過適合我的應(yīng)用的任何方式，將這些構(gòu)件連接到一起。

如果您能描述數(shù)字電路如何工作，就能用足夠的邏輯單元在FPGA內(nèi)構(gòu)建該電路。需要25個PWM輸出？沒問題。需要特殊通信協(xié)議？對某些硬件進行編程來處理該協(xié)議。

問題2：為什么我會需要FPGA？

FPGA可用于實現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)，但簡單的微控制器通常也能夠達到同樣的效果。微控制器價格低廉，而且易于放置在印刷電路板上。雖然FPGA是一種功能強大的工具，但未必適合所有情況。它們有更多的功耗、布局和外部電路要求，甚至可能非?？量獭Ｊ褂贸杀靖甙呵揖哂兄T多特殊要求的FPGA似乎有些不合時宜。

但您也許已經(jīng)猜到了需要FPGA的原因：靈活性。您擁有可配置的邏輯塊，就意味著不再受到硬件的制約。您不會再遇到定時器或UART不夠用的情況，只要您擁有邏輯單元便可創(chuàng)建更多定時器或UART。它能夠隨著技術(shù)和要求的變化，在今后進行重新配置，從而延長產(chǎn)品的生命周期。

第二個原因是速度。微控制器只能按順序一次執(zhí)行一條指令。由于硬件特性，F(xiàn)PGA結(jié)構(gòu)本身是并行的。因此它能同時執(zhí)行多個指令，這對于FFT或圖形處理等操作非常有用，因為在按順序執(zhí)行的處理器上，這些操作可能產(chǎn)生很高的成本。與LVDS等典型微控制器相比，F(xiàn)PGA還提供了更多高速I/O選項，收發(fā)器能夠以10+Gbps的速度處理HDMI等協(xié)議。

問題3：如何為FPGA編程？

FPGA采用一種名為HDL（即硬件描述語言）的特殊語言。它主要包含兩種語言：Verilog和VHDL。幾乎所有開發(fā)套件（例如Quartus或Vivado）都支持這兩種語言，所以選擇哪種語言只是偏好問題。

然后對這兩種語言進行“合成”，這類似于微控制器的編譯。合成工具告訴FPGA如何連接其邏輯單元，以產(chǎn)生代碼所描述的效果。請記住，代碼被轉(zhuǎn)換為硬件指令而非CPU指令，在您開始使用時，務(wù)必牢記這一點。

為了簡化開發(fā)，F(xiàn)PGA供應(yīng)商提供了常用代碼塊目錄，供您輕松置入到設(shè)計中。其中包括倍頻器、RAM和通信塊等。您可對它們進行配置并添加到設(shè)計中，而無需查看涉及的HDL代碼，從而加快開發(fā)速度。

有些供應(yīng)商還提供高級別合成（HLS） 工具，能夠?qū)⑹褂肅或C++語言編寫的功能轉(zhuǎn)換為HDL代碼塊。使用這些工具，可以通過抽除一些低級別細節(jié)，顯著減少具有軟件背景的開發(fā)人員的入門障礙。

仍然不太相信？我最喜歡的FPGA功能之一是它能夠使用軟處理器。軟處理器是從FPGA的邏輯單元構(gòu)建的完整處理器。利用軟處理器，您能夠為處理器構(gòu)建定制的輔助硬件，并使用C語言編寫應(yīng)用程序。您可在短短幾分鐘內(nèi)完成簡單的軟處理器系統(tǒng)設(shè)置和編程。如果您仍然需要傳統(tǒng)處理器，可考慮在單一封裝中包含F(xiàn)PGA和硬ARM處理器的SoC。

總而言之，與典型的微控制器相比，F(xiàn)PGA的成本更高，使用難度更大，但如果您需要，它們能夠提供更強的性能和靈活性。隨著技術(shù)的改進，集成度的提高，F(xiàn)PGA的成本變得更低，它們甚至能夠取代傳統(tǒng)的微控制器。
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