在嵌入式開發(fā)中，我們可能會遇到DSP、ASIC、FPGA等概念，面試、考試過程中也會問到他們之間的區(qū)別、各自特點是什么？FPGA在如今的信號處理和控制應(yīng)用中，已經(jīng)成功取代了自定制專用集成電路（ASIC）和處理器，那么，關(guān)于FPGA，你了解多少呢？

FPGA是什么？

FPGA，即現(xiàn)場可編程門陣列，是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。

在最高層面上，FPGA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，FPGA可完全可重配置，當用戶在重新編譯不同的電路配置時，能夠當即呈現(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。

FPGA的優(yōu)勢

性能

利用硬件并行的優(yōu)勢，FPGA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。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，FPGA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。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。

成本

自定制ASIC設(shè)計的非經(jīng)常性工程（NRE）費用遠遠超過基于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)。可編程芯片的特性意味著用戶可以節(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，FPGA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)時刻面臨著嚴格限時的任務(wù)相互取占的風險。 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

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。可重新配置的FPGA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。

結(jié)語：隨著物聯(lián)網(wǎng)大潮的來臨，市場需求在很大程度上刺激FPGA技術(shù)的應(yīng)用。再加上較高級別的工具不斷改進，為不同規(guī)模項目的需求和不用水平的工程師帶來可重新編程的硅芯片，小編相信：FPGA技術(shù)在未來的應(yīng)用前景會越來越廣闊！