FPGA：它們有什么用？

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自 20 世紀 80 年代中期推出以來，可編程邏輯已在一系列應用中得到廣泛采用?，F代可編程邏輯器件已經從可編程邏輯器件(PLD)和復雜可編程邏輯器件(CPLD)發展到現場可編程門陣列(FPGA)。

PLD 和 CPLD 提供的邏輯資源數量有限，而 FPGA 提供數百萬個可配置邏輯塊 (CLB)，使開發人員能夠實現時序和組合電路?，F代 FPGA 設備還為開發人員提供高級功能，如 DSP 元件、Block RAMS、千兆位收發器、PCIe 端點，甚至嵌入式 Arm ?和 RISC-V 處理器。

當然，由于可編程邏輯的真正并行特性，FPGA 需要與傳統處理器不同的設計捕獲、實現和驗證方法。

這種并行實現使 FPGA 成為需要解決方案具有以下一個或多個特性的應用的理想選擇。

響應性：實施中使用專用資源，因此無需共享系統資源。

確定性：專用資源用于實現處理管道，因此從輸入到輸出的處理時間是確定性的。

高吞吐量：可編程邏輯的并行結構使處理流水線能夠在真正的并行處理結構中使用分立元件來實現。

FPGA 中 IO 的靈活性：只要啟用正確的 PHY，FPGA 中的 IO 靈活性就可以實現任意到任意的連接。這種靈活性還使開發人員擺脫了在更傳統的處理器解決方案上提供的特定 IO 標準數量的限制。

這些特性使 FPGA 成為從汽車和航空航天到電機控制、圖像和信號處理、網絡和過程控制等一系列應用的理想選擇。讓我們來看兩個應用，以更好地理解為什么 FPGA 是該應用的理想選擇。

作為工業 4.0 的一部分，圖像處理是從智能城市到安全和生產線檢查等許多應用的核心。在這些應用中，圖像處理解決方案需要逐個像素地執行多種復雜的圖像處理算法。隨著幀速率和分辨率的增加，需要大量的計算能力。FPGA 的實現使處理流水線的每個階段都可以在邏輯門中實現，通常使用現有的供應商 IP 塊。這個處理鏈可以從 MIPI 或 HDMI 接收、De Bayer、Alpha 通道校正，然后是增強、邊緣檢測、分割和 ML 網絡等高級處理算法。與使用更傳統的處理方法相比，在可編程邏輯中實現流水線使開發人員能夠實現更高的幀速率。圖像處理應用程序通常用于汽車應用程序，用于提高 SAE 的自主級別。

FPGA 的另一個用例是安全關鍵型或高可靠性應用。這是由于 FPGA 的響應性和確定性特性。許多安全關鍵系統都有所謂的硬實時要求——這意味著必須在規定時間內收集數據、確定結果并實施操作。未能在分配的時間內執行處理和決策會導致系統故障。在邏輯中實施處理解決方案使算法的每個階段都可以并行實施。這種并行實現使開發人員能夠實現響應時間，因為計算路徑不共享資源。由于資源不共享，實施的解決方案還提供了對給定輸入的確定性響應。這種確定性響應還支持更穩健的驗證策略，因為可以創建涵蓋 RTL 設計中所有狀態、分支、路徑和寄存器切換的 RTL 仿真。由于其響應性和確定性，FPGA 是安全關鍵型應用的理想選擇，通常用于需要通過 DO254、ISO26262 和 IEC61508 等標準認證的航空航天、汽車、鐵路和過程控制應用。

FPGA 的最后一個用例是利用其接口功能的靈活性。FPGA 可以創建具有任意接口的解決方案，這要歸功于它們支持的廣泛的單一和差分 IO 標準，并在需要時結合外部 PHY。這使得開發人員能夠在同一芯片上實現大量相同的接口和多個 MIPI 接口，以恢復多個圖像處理流?；蛘?，例如，FPGA 可用于實現從千兆以太網到 SpaceWire 的協議轉換。當然，FPGA 的功能也可以與 IO 靈活性一起使用。一個這樣的例子是在視頻轉碼期間，其中一個標準被接收，另一個標準在 FPGA 邏輯中被轉碼后被傳輸。又是在這里，

結論

總之，FPGA 最適合部署在需要響應性、確定性、吞吐量或接口等已識別特征之一的系統中。需要這些的應用程序可以利用 FPGA 的并行特性來實現滿足要求的解決方案。因此，我們看到 FPGA 被部署在各種應用中，包括航空航天、汽車、工業、視頻轉碼、過程控制和高性能系統。隨著 FPGA 技術的發展(尤其是開發工具)，我們將看到 FPGA 在許多應用中更加普遍。

審核編輯：湯梓紅