嵌入式开发之路

第二章 FPGA简介

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descriptionFPGA 是什么？"现场、可编程、门阵列"三个词背后藏着什么？本章从数字集成电路的发展讲起，梳理FPGA 的由来、内部结构、产业格局、技术优势，并对比FPGA、CPU 和DSP 的差异。
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第二章 FPGA简介

FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是一种半定制的数字集成电路，凭借灵活性高、开发周期短、处理性能强（并行）等特点，广泛应用于通信、图像处理和医疗等领域，近年来在人工智能、5G 和自动驾驶领域也占据一席之地。本章带你建立对FPGA 的初步认识。

本章在讲什么

本章围绕四个问题展开：

  1. FPGA 是什么——从名字的三个关键词拆解它的本质；
  2. FPGA 从哪来——数字集成电路如何一步步发展到FPGA；
  3. FPGA 强在哪——与CPU、DSP 等器件相比的技术优势和不足；
  4. FPGA 用在哪——主流厂商格局和典型应用领域。

核心概念拆解

1. 从名字理解FPGA 的三个特点

FPGA 由Xilinx 创始人之一Ross Freeman 于1985 年发明，属于可编程逻辑器件（PLD）的一种。它的名字就浓缩了三个核心特点：

图2.1.1 FPGA 图片

  • 现场：可以在使用现场对芯片编程，无须拆下返回厂家。早期芯片是一次性编程，后来要靠紫外线灯长时间照射才能擦除重写，再后来才做到随时重复写入。
  • 门阵列：FPGA 由大量"逻辑门"组合而成。与传统门电路不同，FPGA 中的逻辑门以查找表（LUT）的形式实现——把某个逻辑功能的所有可能结果预先写到存储单元中，根据输入直接查出结果输出。
  • 可编程：普通芯片（如CPU、GPU）出厂后逻辑门之间的硬件关系就固定了。而FPGA 中的逻辑门是"自由的"，可按开发者意图重新排列组合。注意：在CPU 上写C/Python 本质上只是改变CPU 状态寄存器的值，不能改变CPU 内部逻辑门之间的硬件连接；FPGA 可以，这才是它"可编程"的真正含义。

2. 数字集成电路的发展脉络

门电路（与、或、非、与非、异或等）是数字电路的基本单元：

图2.2.1 基本的门电路符号

数字集成电路的发展经历了几个关键阶段：

  • 1961 年，德州仪器（TI）率先把数字电路元器件集成到同一片硅片上，制成集成电路（IC），取代了分立器件电路；
  • 早期设计师要在面包板上用导线连接多个芯片（如经典的TI 74 系列器件）搭建电路：

图2.2.2 使用74 系列器件搭建的电路

  • 集成度不断提高：小规模（SSI）→ 中规模（MSI）→ 大规模（LSI）→ 超大规模（VLSI）→ 甚大规模（ULSI），最终可以在小硅片上实现"片上系统"（SoC）。

3. FPGA 的由来：通用、专用与可编程

从逻辑功能角度，数字集成电路分两类：

  • 通用型：如74 系列，逻辑功能简单且固定，通用性强；
  • 专用型（ASIC）：为特定用途设计，如手机主控芯片（华为麒麟990）：

图2.2.3 华为Mate 30 手机中的麒麟990 芯片

ASIC 在用量不大时设计和制造成本高、周期长。可编程逻辑器件（PLD）解决了这个矛盾：它作为通用器件生产，逻辑功能由用户编程设定，可以把一个数字系统"集成"到一片PLD 上。

1985 年，Xilinx 的Ross Freeman 制作了第一枚真正意义上的FPGA 芯片XC2064，采用4 输入1 输出的LUT 和FF 结合的基本逻辑单元；William Carter 发明了更高效的单元间连接方法。这两项发明（Freeman 专利和Carter 专利）是PLD 历史上最著名的两个专利。

PLD 家族的发展关系：

图2.2.4 PLD 的发展历程

  • SPLD（简单PLD）：包括PLA、PAL、GAL。以PAL 为例，通过对输入端到与门之间的可编程阵列编程，产生所需的乘积项，再由或逻辑相加，实现不同的组合逻辑函数：

图2.2.5 PAL 器件的基本电路结构

  • CPLD（复杂PLD）：相当于把多个PAL 用可编程互连阵列（PIA）连接起来，逻辑资源更丰富、布线更灵活：

图2.2.6 CPLD 结构示意图

  • FPGA：在PAL、GAL、CPLD 基础上进一步发展，但内部结构与CPLD 差异很大：

FPGA 与CPLD 的主要差别：

对比项 FPGA CPLD
内部结构 查找表（LUT） 乘积项（PT）
资源类型 触发器资源丰富 组合逻辑资源丰富
特有资源 RAM、PLL、DSP 等 ——
运行速度 快 慢
集成度 高 低
程序存储 内部SRAM，外挂EEPROM/FLASH 内部EEPROM/FLASH
应用场合 复杂算法 控制逻辑
能否加密 一般不能（可用加密核） 可加密

4. FPGA 的内部结构

FPGA 与CPLD 的差异源于内部结构。FPGA 基本结构由六部分组成：可编程输入/输出单元、基本可编程逻辑单元、底层嵌入功能单元、布线资源、嵌入式块RAM、内嵌专用硬核：

图2.2.7 FPGA 内部结构

（这六部分的详细概念将在下一章展开。）

5. FPGA 产业现状

全球FPGA 市场长期被国外巨头主导：

图2.2.8 全球FPGA 市场占有率

  • Xilinx（赛灵思）：市场份额约49%，业界老大，2022 年被AMD 以近500 亿美元收购；
  • Altera：份额约34%，2015 年被Intel 以167 亿美元收购；
  • Lattice（莱迪思）：约7%，以低功耗著称；
  • Microsemi：约6%。

国内厂商主要有8 家：紫光同创、安路科技、高云半导体、上海复旦微电子、成都华微电子、智多晶、易灵思、京微齐力。其中紫光同创、安路科技、高云半导体曾被称为"国内FPGA 三架马车"。国产FPGA 在营收、专利数和技术上与国外巨头仍有差距，但差距正在快速缩小。

6. FPGA 的技术优势与不足

以单片机为参照：单片机能实现的功能，理论上FPGA 都能实现（前提是资源够大）；但FPGA 能实现的（如1080P 图像实时处理），单片机未必做得到。单片机用得更广，是因为价格便宜、开发人员多——能用便宜方案时没必要用昂贵的FPGA。

图2.3.1 CPU、GPU、FPGA、ASIC 的吞吐量比较

FPGA 的四大技术优点：

  1. 高性能：打破CPU 顺序执行思路，硬件并行处理；行为确定，没有CPU 的时间片、线程或资源冲突问题；
  2. 可重构性：可重新编程实现不同逻辑功能，远比ASIC 灵活，适合标准协议尚不成熟的场景；
  3. 上市时间快：编程后即可作为产品使用，无需ASIC 三个月至一年的流片周期；
  4. 实时性：可实时处理输入数据，适合自动驾驶、工业控制等低延迟应用。

FPGA 的缺点也要清楚：

  1. 开发门槛高：需要Verilog 硬件描述语言编程经验；
  2. 成本高：比单片机昂贵；
  3. 控制类任务实现代价高：如通过SCCB 接口配置OV5640 摄像头上百个寄存器，单片机轻松得多；
  4. 主频较低：布局布线性能不如专用ASIC，最高频率远不及ASIC 的几个GHz。

另外要注意一个常见误解：FPGA 例程的外设看起来和单片机差不多（如串口收发），但实现思路完全不同——FPGA 需要自己实现串口的完整协议，把串行数据转并行、按波特率逐位收发，而单片机只需配置寄存器。

7. FPGA 的应用领域

FPGA 像一张白纸/一堆积木，可以实现任何数字器件的功能，上至高性能CPU，下至简单逻辑门。主要应用领域包括：

  1. 通信领域（传统热点）：基带处理（信道编解码、同步算法）、接口和连接（PCIe、以太网MAC、高速AD/DA）、RF 应用（调制解调、上下变频）；
  2. 数字信号处理：高速并行处理能力远超DSP 串行架构，例如实现H.264 高清视频编码，TI 1GHz DSP 需要4 颗芯片，Altera 一颗FPGA 就能完成；
  3. 视频图像处理：实时流水线运算达到最高实时性，用于ISP（降噪、宽动态、去雾、3A）、视频处理（缩放、拼接、鱼眼矫正）、视频分析（检测、分类）等；
  4. 高速接口设计：成百上千个IO 加高速处理能力，各种接口逻辑都可在FPGA 内部实现，不必堆砌接口芯片；
  5. IC 验证领域：FPGA 原型验证速度接近真实芯片，帮助硬件和软件开发者在流片前完成验证；
  6. 人工智能领域：主要集中在边缘侧，如ADAS/自动驾驶检测、智能安防、无人机避障、医疗影像分析，甚至ChatGPT 的训练也离不开FPGA 的算力支持。

8. FPGA、CPU 和DSP 对比

三种经典器件各有分工：

  • CPU：基于指令流水线架构（取指→译码→执行），分为复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）。常见形态包括单片机（8051、STM32）、通用CPU（Intel/AMD）、ARM Cortex-A 系列、RISC-V 等。擅长控制，事务管理能力强，可跑UI 和应用程序；
  • DSP：一种特殊的CPU，内部有专门的硬件乘法器和哈佛总线结构（程序与数据分开存储、可同时访问），擅长计算（加解密、调制解调等）；
  • FPGA：用Verilog 编程，并行处理度高、可编程，擅长高带宽处理。

图2.4.1 CPU、DSP 和FPGA 的区别

选型没有绝对的好坏，应根据功能需求具体分析，不要对某种器件抱有偏见。

初学者容易踩的坑

  1. 把"FPGA 可编程"和"CPU 上写程序"混为一谈：CPU 编程只是执行软件指令，改变不了硬件电路；FPGA 编程改变的是硬件电路本身的连接。
  2. 以为FPGA 比单片机"全面碾压"：FPGA 贵、主频低、做寄存器配置类控制任务反而麻烦。能用单片机低成本实现的就不必上FPGA。
  3. 忽视FPGA 与CPLD 的区别：FPGA 用LUT 结构、触发器丰富、适合复杂算法；CPLD 用乘积项结构、组合逻辑丰富、适合控制逻辑，且可加密。
  4. 认为FPGA 例程"和单片机一样简单"：外设相同，但FPGA 是从协议层面自己搭建电路实现，设计思路完全不同。
  5. 只关注FPGA 优点不看缺点：开发门槛、成本、主频上限都是选型时要考虑的现实因素。

小结 & 下一步

本章从FPGA 名字的三个关键词（现场、可编程、门阵列）入手，梳理了从分立器件到SoC 的数字集成电路发展史，介绍了PLD 家族（SPLD→CPLD→FPGA）的演进和FPGA 与CPLD 的结构差异，分析了FPGA 的六大内部组成部分、全球产业格局（Xilinx/AMD、Intel/Altera、Lattice 及国产厂商），总结了FPGA 高性能、可重构、上市快、实时性四大优点和高门槛、高成本、控制任务代价高、主频低四大缺点，最后对比了FPGA、CPU、DSP 三种器件的定位。

下一章将聚焦ZYNQ，看看当FPGA 与ARM 处理器结合成SoC 之后，会碰撞出怎样的火花。

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