淺談FPGA技術的優勢及其應用

中國船舶重工集團公司第七一五研究所 陳 木

淺談FPGA技術的優勢及其應用

中國船舶重工集團公司第七一五研究所 陳 木

本文系統的介紹了FPGA的發展歷史,以及其作為一種新型的高密度器件所具有的主要優勢,其高性能、低成本、靈活性、穩定性等特征使其在各類電子產品中被廣泛的應用。

FPGA；信號處理

信息技術的迅速發展為人們使用現代數字信號處理技術實現快速信息處理提供了有效支持,數據采集和處理技術在其中發揮重要的作用。計算機科學技術的飛速發展使人們的生活日新月異,它促使人們采用數字信號處理技術實現快速的、海量的數據的處理,數據采集處理技術起著至關重要作用。所謂的數據采集系統就是完成模擬信號到計算機能識別的數字信號的一個轉換系統,并且該系統要將轉換得到的數字信號輸入到計算機中,其中的模擬信號是從模擬傳感器輸出端獲得,計算機根據不同的需求進行相應的計算處理,最終得出所需的數據。與此同時,顯示或打印出計算機的數據,以便人們能夠方便的監視某些物理量,計算機控制系統通過一些數據對生成過程中的某些物理量進行控制。

1 FPGA的產生與發展

上個世紀80年代中期,一種新型的高密度的器件FPGA逐步得到使用,它是在其他的一些可編程器件的基礎上不斷發展而產生的,比如可編程器件PAL、GAL與EPLD等。現在市場上對高性能芯片的要求越來越高以及工藝技術飛速發展,這些都促使FPGA快速的占有市場,只因其高速、低功耗的卓越性能。可編程輸入/輸出單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式塊RAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元和內嵌專用硬核,這是FPGA簡化了的基本組成部分。FPGA的輸入輸出單元多為設置靈活的可編程式設置,其輸入輸出特性支持大多數的電氣標準,更具靈活性。可編程的邏輯單元是可編程邏輯的基礎,這些邏輯單元可以在內部進行相應的連接與配置。FPGA一般是基于SRAM工藝,其基本可編程邏輯單元通常由查找表(Look Up Table,LUT)和寄存器(Register)組成。FPGA的靈活性的提高以及應用范圍的擴大是通過在 FPGA 中嵌入可編程RAM(Block RAM)來實現的。FPGA的各種結構都具有靈活的配置,這包括 FIFO(First In First Out)、雙口RAM(Double Port RAM,DPRAM)、偽雙口RAM(Pseudo DPRAM)、CAM (Content Addressable Memory)、和單口RAM(Single Port RAM,SPRAM)等。FPGA信號處理的驅動能力和數據傳輸速度取決于FPGA內部所有單元的布線連線長度和布線的工藝方式。像PLL、DLL、DPS和CPU這些單元都是通用度比較高的嵌入功能模塊,稱之為底層嵌入功能單元。而所謂內嵌專用硬核則不同于底層嵌入功能單元,大多數FPGA不包含此類硬核。比較常用的例子是SERDES (串并收發器)等專用硬核被集成于許多高級FPGA產品中,其目的在于適用高速通信總線和某些接口標準,進而大幅度提高FPGA的性能。

2 FPGA的主要優勢

FPGA在使用方面存在諸多的優勢。首先,其超越了DSP的運算能力,其運算模式非順序執行,可在每個處理周期中完成更多的運算任務。BDTI公司是一家從事分析與基準測試的公司,其發布的報告顯示,FPGA的處理方案和DSP相比更具經濟性,可以節省2倍以上的成本支出。FPGA提供了更為快速的響應時間和專業化的功能,這是因為其在硬件層面控制輸入與輸出,用戶再也不用通過自己定制ASIC設計從而浪費較長的時間,其想法可以通過硬件完成實驗,因此更具靈活性。更讓人感到欣慰的是高層次的軟件工具降低了學習曲線,并提供能夠實現高級控制與信號處理的IP核。在成本控制方面, FPGA的優勢更為顯著。原始的ASIC設計需要原始設備制造企業提供大量的芯片且投資巨大。可編程芯片在節省成本和時間上有著強大的優勢。系統的需求時刻改變,但這對于可編程芯片來說并不是問題,畢竟相對于ASIC而言,這些改變所帶來的成本幾乎可以忽略不計。FPGA電路是真正的變成“硬”執行過程,因為軟件工具提供了編程環境。傳統的數據處理模式中,系統包含眾多抽象層,計劃任務以及共享資源等活動在多個進程之間進行。內存及帶寬由系統層面控制而硬件等設備則歸于驅動層面。對于給定的處理器內核,每次能且只能執行一個指令,且任務之間相互占有,系統穩定性存在著一定的風險。FPGA不同于上述情況,人物之間并行執行而每一次任務皆有確定性硬件,穩定性大大提升,且如上文所提及,FPGA不用重新設計ASIC,節省大量的人力物力,芯片可現場升級。

3 FPGA在電子產品中的應用

FPGA作為一種高效、專業、低廉、高穩定性的數據處理解決方案,在工業控制、網絡安全、視頻監控、廣播電視以及汽車電子等方面有著廣泛的應用。在視頻監控方面,FPGA的應用是一個新的熱點。在早期,國內大多數的視頻監控設備多數使用DSP,而對于目前的情況, DSP已漸漸不能滿足市場對于高分辨率視頻編碼及高通道的要求。而FPGA的廣泛應用恰好完美地解決了DSP的不足,其硬件加速的方法和多通道壓縮等特性被視頻監控領域的諸多廠商所歡迎。一家視頻監控設備公司的產品經理介紹說,FPGA已經是業內使用頻率最高的視頻監控產品的核心器件。其對于H.264算法有著獨特的處理方案,也只有FPGA才可能構建起單芯片平臺,完成設計方案。不僅如此,FPGA在網絡安全平臺的方面的應用同樣廣泛。在于眾多網絡安全公司負責人接觸的過程中發現,FPGA已經成為眾多網絡安全公司平臺開發的首選,其開放的架構、高穩定性能、低廉的成本受到眾多企業的青睞。盡管商賽靈思、Altera及Actel這些FPGA器件生產商的知名度不如CPU或單片機,但FPGA的應用卻已無處不在,許多科研院所,小到電子設備廠商,大到航空航天研究所,只要涉及到數字電路的設計,都能看到FPGA的身影。可以預見,隨著科技的發展,FPGA的應用一定會更加廣泛。

［1］周亞風,躍華,朱昊.基于FGPA的16階FIR濾波器的設計［J］.南京工業大學學報,2005(1).

［2］金永賢.新型高速數據采集方法研究［J］.華東交通大學報,2002(12):13-16.

［3］戴明禎,數字信號處理的硬件實現［M］.北京:航空工業出版社,1998.