現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）技術(shù)不斷呈現(xiàn)增長勢頭。 1984年Xilinx剛剛創(chuàng)造出FPGA時，它還是簡單的膠合邏輯芯片，而如今在信號處理和控制應(yīng)用中，它已經(jīng)取代了自定制專用集成電路（ASIC）和處理器。 這項技術(shù)的成功之處到底在哪里？ 本文將主要介紹FPGA，并著重描述FPGA的獨特優(yōu)勢。

1. 什么是FPGA？

在最高層面上，F(xiàn)PGA是可重新編程的硅芯片。 使用預(yù)建的邏輯塊和可重新編程布線資源，用戶無需再使用電路試驗板或烙鐵,就能配置這些芯片來實現(xiàn)自定義硬件功能。 用戶在軟件中開發(fā)數(shù)字計算任務(wù)，并將它們編譯成配置文件或比特流，其中包含元器件相互連接的信息。此外，F(xiàn)PGA可完全可重配置，當(dāng)用戶在重新編譯不同的電路配置時，能夠當(dāng)即呈現(xiàn)全新的特性。 過去，只有熟知數(shù)字硬件設(shè)計的工程師懂得使用FPGA技術(shù)。 然而，高層次設(shè)計工具的興起正在改變FPGA編程的方式，其中的新興技術(shù)能夠?qū)D形化程序框圖、甚至是C代碼轉(zhuǎn)換成數(shù)字硬件電路。

各行各業(yè)紛紛采用FPGA芯片是源于FPGA融合了ASIC和基于處理器的系統(tǒng)的最大優(yōu)勢。 FPGA能夠提供硬件定時的速度和穩(wěn)定性,且無需類似自定制ASIC設(shè)計的巨額前期費用的大規(guī)模投入。 可重新編程的硅芯片的靈活性與在基于處理器的系統(tǒng)上運行的軟件相當(dāng)，但它并不受可用處理器內(nèi)核數(shù)量的限制。與處理器不同的是，F(xiàn)PGA屬于真正的并行實行，因此不同的處理操作無需競爭相同的資源。 每個獨立的處理任務(wù)都配有專用的芯片部分，能在不受其它邏輯塊的影響下自主運作。因此，添加更多處理任務(wù)時，其它應(yīng)用性能也不會受到影響。

2. FPGA技術(shù)的五大優(yōu)勢

性能、上市時間、成本、穩(wěn)定性、長期維護

性能—利用硬件并行的優(yōu)勢，F(xiàn)PGA打破了順序執(zhí)行的模式，在每個時鐘周期內(nèi)完成更多的處理任務(wù)，超越了數(shù)字信號處理器（DSP）的運算能力。 著名的分析與基準(zhǔn)測試公司BDTI，發(fā)布基準(zhǔn)表明在某些應(yīng)用方面，F(xiàn)PGA每美元的處理能力是DSP解決方案的多倍。2在硬件層面控制輸入和輸出（I/ O）為滿足應(yīng)用需求提供了更快速的響應(yīng)時間和專業(yè)化的功能。

上市時間—盡管上市的限制條件越來越多，F(xiàn)PGA技術(shù)仍提供了靈活性和快速原型的能力。 用戶可以測試一個想法或概念，并在硬件中完成驗證，而無需經(jīng)過自定制ASIC設(shè)計漫長的制造過程。3由此用戶就可在數(shù)小時內(nèi)完成逐步的修改并進行FPGA設(shè)計迭代，省去了幾周的時間。 商用現(xiàn)成（COTS）硬件可提供連接至用戶可編程FPGA芯片的不同類型的I/O。 高層次的軟件工具的日益普及降低了學(xué)習(xí)曲線與抽象層，并經(jīng)常提供有用的IP核（預(yù)置功能）來實現(xiàn)高級控制與信號處理。

成本—自定制ASIC設(shè)計的非經(jīng)常性工程（NRE）費用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過基于FPGA的硬件解決方案所產(chǎn)生的費用。 ASIC設(shè)計初期的巨大投資表明了原始設(shè)備制造商每年需要運輸數(shù)千種芯片，但更多的最終用戶需要的是自定義硬件功能，從而實現(xiàn)數(shù)十至數(shù)百種系統(tǒng)的開發(fā)?？删幊绦酒奶匦砸馕吨脩艨梢怨?jié)省制造成本以及漫長的交貨組裝時間。 系統(tǒng)的需求時時都會發(fā)生改變，但改變FPGA設(shè)計所產(chǎn)生的成本相對ASCI的巨額費用來說是微不足道的。

穩(wěn)定性—軟件工具提供了編程環(huán)境，F(xiàn)PGA電路是真正的編程“硬”執(zhí)行過程。 基于處理器的系統(tǒng)往往包含了多個抽象層，可在多個進程之間計劃任務(wù)、共享資源。 驅(qū)動層控制著硬件資源，而操作系統(tǒng)管理內(nèi)存和處理器的帶寬。對于任何給定的處理器內(nèi)核，一次只能執(zhí)行一個指令，且基于處理器的系統(tǒng)時刻面臨著嚴(yán)格限時的任務(wù)相互取占的風(fēng)險。 而FPGA不使用操作系統(tǒng)，擁有真正的并行執(zhí)行和專注于每一項任務(wù)的確定性硬件，可減少穩(wěn)定性方面出現(xiàn)問題的可能。

長期維護—正如上文所提到的， FPGA芯片是現(xiàn)場可升級的，無需重新設(shè)計ASIC所涉及的時間與費用投入。 舉例來說，數(shù)字通信協(xié)議包含了可隨時間改變的規(guī)范，而基于ASIC的接口可能會造成維護和向前兼容方面的困難?？芍匦屡渲玫腇PGA芯片能夠適應(yīng)未來需要作出的修改。 隨著產(chǎn)品或系統(tǒng)成熟起來，用戶無需花費時間重新設(shè)計硬件或修改電路板布局就能增強功能。

3. 總結(jié)

較高級別的工具不斷改進，為各個專業(yè)水平的工程師和科學(xué)家?guī)砜芍匦戮幊痰墓栊酒?，F(xiàn)PGA技術(shù)的采用也越來越為廣泛。