FPGA芯片設計及其應用

趙志強

摘要

FPGA是英文Field-Programmable Gate Array的縮寫，翻譯為現場可編程門陣列，是在CPUD，GAL，PAL的基礎上發展起來的一種全新的編程方式，作為一種半定制的電路，應用在專用集成電路領域之中，有效的解決了原有的可編程器件門電路數不足的問題，也避免了定制電路自身存在的一些缺點，得到日益廣泛的應用。

【關鍵詞】FPGA芯片 設計 應用 分析

FPGA設計不是簡單的芯片研究，主要是利用FPGA的模式進行其他行業產品的設計。與ASIC不同，FPGA在通信行業的應用比較廣泛。通過對全球FPGA產品市場以及相關供應商的分析，結合當前我國的實際情況以及國內領先的FPGA產品可以發現相關技術在未來的發展方向，對我國科技水平的全面提高具有非常重要的推動作用。

1 FPGA的基本結構

FPGA器件屬于專用集成電路中的一種半定制電路，是可編程的邏輯列陣，能夠有效的解決原有的器件門電路數較少的問題。FPGA的基本結構包括可編程輸入輸出單元，可配置邏輯塊，數字時鐘管理模塊，嵌入式塊RAM，布線資源，內嵌專用硬核，底層內嵌功能單元。由于FPGA具有布線資源豐富，可重復編程和集成度高，投資較低的特點，在數字電路設計領域得到了廣泛的應用。FPGA的設計流程包括算法設計、代碼仿真以及設計、板機調試，設計者以及實際需求建立算法架構，利用EDA建立設計方案或HD編寫設計代碼，通過代碼仿真保證設計方案符合實際要求，最后進行板機調試，利用配置電路將相關文件下載至FPGA芯片中，驗證實際運行效果。

2 FPGA芯片的設計

FPGA設計是利用相關技術為各行業所需要的產品進行設計，并非研發FPGA芯片。FPGA是設計要求比較嚴格，門檻較高，目前主要采用Verilog的方式開展設計。在初期階段，FPGA使用原理圖的方式進行設計，這種方式整體效率比價低，無法實現大規模的設計，但利用C語言，matlab的算法設計轉化為Ver110G的方式沒有得到廣泛的應用，技術人員變形相關代碼依然是主流的設計方式。

FPGA設計的主要難點是熟悉硬件系統以及內部資源，保證設計的語言能夠實現元器件之間的有效配合，提高程序的可讀性以及利用率。這也對設計人員提出了比較高的要求，需要經過多個項目的經驗積累才可以達到相關的要求。

在算法設計時需要重點考慮合理性，保證項目最終完成的效果，依據項目的實際情況提出解決問題的方案，提高FPGA的運行效率。確定算法后應當合理構建模塊，方便后期進行代碼設計。在代碼設計時可以利用預先設計好的代碼，提高工作效率，增強可靠性。編寫測試平臺，進行代碼的仿真測試和班級調試，完成整個設計過程。FPGA同ASIC不同，開發的周期比較短，可以結合設計要求改變硬件的結構，在通信協議不成熟的情況下可以幫助企業迅速推出新產品，滿足非標準接口開發的需求。

3 FPGA的主要應用

3.1 FPGA在視頻分割系統中的應用

近年來，大型的總控系統得到了日益廣泛的應用，與之相關的視頻分割技術水平也在逐步提高，該技術是把用多屏拼接顯示的方式來顯示一路視頻信號，在一些需要使用大屏幕顯示的場景應用廣泛。隨著技術水平的進步，視頻分割技術逐步成熟，滿足了人們對于清晰視頻圖像的基本需求、

FPGA芯片硬件結構比較特殊，可以利用事先編輯的邏輯結構文件調整內部結構，利用約束的文件來調整不同邏輯單元的連接和位置，妥善處理好數據線路徑，其自身具有的靈活性和適應性方便用戶的開發和應用。在處理視頻信號時，FPGA芯片可以充分利用自身的速度和結構優勢，實現兵乓技術和流水線技術。在對外連接的過程中，芯片采用數據并行連接的方式，使圖像信息的位寬拓寬，利用內部的邏輯功能提高圖像處理的速度。通過高速緩存結構以及時鐘管理實現對圖像處理以及其他設備的控制。在整體的設計結構中，FPGA芯片處于核心位置，復雜數據的插值處理以及提取和存儲，還起到總體控制的作用，保證系統的穩定運行。另外，視頻信息處理與其他數據處理不同，需要芯片具有特殊的邏輯單元以及RAM或者FIFO單元，保證提高足夠的數據傳輸速度。

3.2 FPGA在數據延遲器和存儲設計的應用

FPGA具有可編程的延遲數字單元，在通信系統和各類電子設備中有著比較廣泛的應用，比如同步通信系統，時間數值化系統等，主要的設計方法包括數控延遲線法，存儲器法，計數器法等，其中存儲器法主要是利用FPGA的RAM或者FIFO實現的。

利用FPGA對SD卡相關數據進行讀寫可以依據具體算法的需求低FPGA芯片開展編程，更加實際情況的變化實現讀寫操作的不斷更新。這種模式之下只需要利用原有的芯片便可以實現對SD卡的有效控制，明顯降低了系統的成本。

3.3 FPGA在通信行業的應用

通常情況下，通信行業綜合考慮成本以及運營等各方面的因素，在終端設備數量比較多的位置，FPGA的用量比較大，基站最適合使用FPGA，基站幾乎每一塊板子都需要使用FPGA芯片，而且型號比較高端，可以處理復雜的物理協議，實現邏輯控制。同時，由于基站的邏輯鏈路層，物理層的協議部分需要定期更新，也比較適合采用FPGA技術。目前，FPGA主要在通信行業的建設初期和中期應用，后期逐步被ASIC替代。

FPGA在安防，工業等領域也有著比較廣泛的應用，比如安防領域的視頻編碼解碼等協議在前端數據采集和邏輯控制的過程中可以利用FPGA處理。工業領域主要采用規模較小的FPGA，滿足靈活性的需求。另外，由于FPGA具有比較高的可靠性，因此在軍工以及航天領域也有比較廣泛的應用。未來，隨著技術的不斷完善，相關工藝將會完成升級改造，在諸多新型行業比如大數據等，FPGA將會有更為廣泛的應用前景。伴隨5G網絡的建設，初期會大量應用FPGA，人工智能等新型的領域也會更多的用到FPGA。

4 結束語

FPGA作為一項新技術在通信，工業等領域應用廣泛，相關人員應當加強研究，逐步解決應用過程中存在的問題，拓寬應用的范圍，完善設計理念，使相關的技術更好的為社會服務。

參考文獻

[1]鄧濤.FPGA芯片功能剖析及應用優勢[J].數字通信世界，2017（04）.