Xilinx Artix-7 FPGA快速入门、技巧与实例连载5——FPGA应用领域

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FPGA目前虽然还受制于较高的开发门槛以及器件本身昂贵的价格，应用的普及率上和ARM、DSP还是有一定的差距，但是在非常多的应用场合，工程师们还是会别无选择的使用它。FPGA所固有的灵活性和并行性是其他芯片所不具备的，所以它的应用领域涵盖得很广。从技术角度来看，主要是有以下需求的应用场合。

●  逻辑粘合，如一些嵌入式处理常常需要地址或外设扩展，CPLD器件尤其适合。今天已经少有项目会选择一颗FPGA器件专门用于逻辑粘合的应用，但是在已经使用的FPGA器件中顺便做些逻辑粘合的工作倒是非常普遍。

图1.20 逻辑粘合

    如图1.21所示，这是一个真实的案例，一颗TI的DSP处理器，需要将它的EMIF（External Memory Interface）连接3颗双口RAM芯片，既有的EMIF肯定无法满足要求，因此中间使用了一颗FPGA作为“桥接”，有效的将地址和数据总线做扩展。

图1.21 基于CPU外设扩展的逻辑粘合应用

●  实时控制，如液晶屏或电机等设备的驱动控制，此类应用也以CPLD或低端FPGA为主。

图1.22 实时控制

    电机和电动控制器在工业设备中应用广泛。当您走进任何一家工厂，您会发现千差万别的机械组件之间总有一些似曾相似的感觉——这些机械都采用电机作为动力。多数电机控制系统都采用微控制器做驱动控制。然而，微控制器却不能满足复杂电机控制算法的性能需求，如直接转矩控制（DTC）或无传感器磁场定向控制（SFOC）。过去，曾经使用数字信号处理器（DSP）克服这个问题，但当涉及高性能时，其成本效益通常无法与FPGA匹敌。使用单颗FPGA器件，便可搭建一个复杂的、可伸缩的、高性能的电机控制系统。

图1.23 工业现场实时控制应用

●  高速信号采集和处理，如高速AD前端或图像前端的采集和预处理，近年来持续升温的机器视觉应用也几乎是无一例外的都使用了FPGA器件。

图1.24 高速

    如图1.25所示，诸如此类的应用，其硬件系统大体如此。前端有ADC做数据转换，FPGA做实时转换控制和数据采集，同时进行必要的前端数据处理、编码或压缩，DDR3或DDR4高速存储器做缓存，最终通过USB、以太网、PCIe等接口将数据传输到后端。图像采集的应用也与此相似，只要将ADC部分更换为图像传感器即可。

图1.25 高速采集处理应用

●  协议实现，如更新较快的各种有线和无线通信标准、广播视频及其编解码算法、各种加密算法等，诸如此类小批量、定制化、更新换代频繁的应用使用FPGA比ASIC更有竞争力。

图1.26 无线通信基站的协议实现

    如图1.27所示，电视广播站采用串行数字接口（SDI）作为传输协议标准，在同轴电缆上传输无压缩的数字视频。每次视频图像质量改进，该标准往往都要扩容。最新的标准为3G-SDI。伴随着这些变化， FPGA便成为其最佳的解决方案，FPGA解决方案提供核心收发器，能够在同一台收发器上，不更改板级硬件电路的前提下，升级FPGA代码版本以兼容所有三种 SDI 速率（SD SDI、 HD SDI 以及 3G-SDI）。

图1.27 SDI编码器应用

此外，演播室内往往也还有其他许多的升级要求。例如新的数字技术能够帮助剪辑视频流、改进或修正画量，以及压缩图像，以供电缆或卫星线路传输。最新的压缩标准 H.265（也被称为“高效视频编解码标准”）极大减少了影视节目的编码位数。但是，该标准需要海量计算。许多设备供应商都发现，一边要把功能打包到一个片上系统，一边又要解决快速发展产生的时间压力，多种需求的重合，FPGA无疑又是最佳的解决方案。

●  各种原型验证系统。由于工艺的提升，流片成本也不断攀升，而在流片前使用FPGA做前期的验证已成为非常流行的做法。

图1.28 原型验证

●  并行计算。过去传统的CPU计算受限于其串行顺序处理的架构，已经很难适应今天的云计算和数据中心对大数据运算的需求了；而GPU虽然在并行处理以及所使用的高级编程语言上有不小的优势，也在过去一段时间内成为了此类应用的主流方案，但也受限于极高的成本和功耗代价；相比之下，单位功耗性能是GPU的3~4倍的FPGA则大有取而代之之势。

图1.29 并行计算

高性能计算（HPC）市场是如今增长最为迅速的计算领域。在金融、医学成像、生物科学、军事以及许多其它很多需要高性能计算的领域，都能够受益于FPGA器件的并行性所带来的性能提升。想象一下金融市场，以及那些在不同地点传输的、令人难以置信的贸易、预测和价格计算数据。在这些交易中，哪怕是不到一分钱的占比都有重要的意义，因此高速、精确的浮点算术绝对必要。在高性能计算里，浮点是数字表示法，用一系列数字或数位表示真实数字。应用程序需要浮点数据类型，以获得比整数计算更为精确的计算结果。浮点运算需要更多的处理器逻辑，因此也需要更多的并行处理。如今的中高端FPGA器件都标配DSP处理单元，甚至能够以硬浮点的形式出现，加之FPGA器件天生的并行性，拿下高性能计算这块大肥肉自然不在话下。

●  片上系统，如Altera公司的Soc FPGA和Xilinx公司的Zynq，这类FPGA器件，既有成熟的ARM硬核处理器，又有丰富的FPGA资源，大有单芯片一统天下的架势。

图1.30 ZYNQ架构的嵌入式系统

当然了，若从具体的行业细分来看，FPGA在电信、无线通信、有线通信、消费电子产品、视频和图像处理、车载、航空航天和国防、ASIC原型开发、测试测量、存储、数据安全、医疗电子、高性能计算以及各种定制设计中都有涉猎。总而言之，FPGA所诞生并发展的时代是一个好时代，与身俱来的一些特性也注定了它将会在这个时代的舞台上大放光彩。

图1.31 FPGA应用精彩纷呈

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