詳解FPGA六大應(yīng)用領(lǐng)域

FPGA 所能應(yīng)用的領(lǐng)域大概可以分成六大類(lèi)，下面聽(tīng)我一一道來(lái)。

01 FPGA在通信系統(tǒng)的應(yīng)用簡(jiǎn)介

FPGA 在通信領(lǐng)域的應(yīng)用可以說(shuō)是無(wú)所不能，得益于 FPGA 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，它可以很容易地實(shí)現(xiàn)分布式的算法結(jié)構(gòu)，這一點(diǎn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)通信中的高速數(shù)字信號(hào)處理十分有利。

因?yàn)樵?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1555009.html">無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中，許多功能模塊通常都需要大量的濾波運(yùn)算，而這些濾波函數(shù)往往需要大量的乘和累加操作。而通過(guò)FPGA 來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式的算術(shù)結(jié)構(gòu)，就可以有效地實(shí)現(xiàn)這些乘和累加操作。

尤其是 Xilinx 公司的 FPGA 內(nèi)部集成了大量的適合通信領(lǐng)域的一些資源比如：基帶處理(通道卡)、接口和連接功能以及 RF(射頻卡)三大類(lèi)：

· 基帶處理資源基帶處理主要包括信道編解碼(LDPC、Turbo、卷積碼以及 RS碼的編解碼算法)和同步算法的實(shí)現(xiàn)(WCDMA 系統(tǒng)小區(qū)搜索等)。

· 接口和連接資源接口和連接功能主要包括無(wú)線(xiàn)基站對(duì)外的高速通信接口(PCI Express、以太網(wǎng) MAC、高速 AD/DA 接口)以及內(nèi)部相應(yīng)的背板協(xié)議(OBSAI、CPRI、EMIF、LinkPort)的實(shí)現(xiàn)。

·RF 應(yīng)用資源RF 應(yīng)用主要包括調(diào)制/解調(diào)、上/下變頻(WiMAX、WCDMA、TD-SCDMA 以及 CDMA2000 系統(tǒng)的單通道、多通道 DDC/DUC)、削峰(PC-CFR)以及預(yù)失真(Predistortion)等關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)?？偠灾灰?FPGA 學(xué)的好，在通信領(lǐng)域你絕對(duì)可以大展身手。

02 數(shù)字信號(hào)處理

在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域 FPGA 同樣所向披靡，主要是因?yàn)樗母咚?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/527651.html">并行處理能力。FPGA最大優(yōu)勢(shì)是其并行處理機(jī)制，即利用并行架構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)字信號(hào)處理的功能。

這一并行機(jī)制使得 FPGA 特別適合于完成 FIR 等數(shù)字濾波這樣重復(fù)性的數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)，對(duì)于高速并行的數(shù)字信號(hào)處理任務(wù)來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)通用 DSP 處理器的串行執(zhí)行架構(gòu)，還有就是它接口的電壓和驅(qū)動(dòng)能力都是可編程配置的不像傳統(tǒng)的 DSP 要受指令集控制。

因?yàn)橹噶罴臅r(shí)鐘周期的限制，不能處理太高速的信號(hào)，對(duì)于速率級(jí)為 Gbps的 LVDS 之類(lèi)信號(hào)就難以涉及。

所以在數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域 FPGA 的應(yīng)用也是十分廣泛的。

03 視頻圖像處理

隨著時(shí)代的變換，人們對(duì)圖像的穩(wěn)定性、清晰度、亮度和顏色的追求越來(lái)越高，像以前的標(biāo)清（SD）慢慢演變成高清（HD），到現(xiàn)在人們更是追求藍(lán)光品質(zhì)的圖像。

這使得處理芯片需要實(shí)時(shí)處理的數(shù)據(jù)量越來(lái)越大，并且圖像的壓縮算法也是越來(lái)越復(fù)雜，使得單純的使用 ASSP 或者 DSP 已經(jīng)滿(mǎn)足不了如此大的數(shù)據(jù)處理量了。

這時(shí)FPGA 的優(yōu)勢(shì)就凸顯出來(lái)了，它可以更加高效的處理數(shù)據(jù)，所以在圖像處理領(lǐng)域在綜合考慮成本后，F(xiàn)PGA 也越來(lái)越受到市場(chǎng)的歡迎。

04 高速接口設(shè)計(jì)

其實(shí)看了 FPGA 在通信領(lǐng)域和數(shù)字信號(hào)處理領(lǐng)域的表現(xiàn)，我想大家也已應(yīng)該猜到了在高速接口設(shè)計(jì)領(lǐng)域，F(xiàn)PGA 必然也是有一席之地的。它的高速處理能力和多達(dá)成百上千個(gè)的 IO 決定了它在高速接口設(shè)計(jì)領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

比如說(shuō)我需要和 PC 端做數(shù)據(jù)交互，將采集到的數(shù)據(jù)送給 PC 機(jī)處理，或者將處理后的結(jié)果傳給 PC 機(jī)進(jìn)行顯示。PC 機(jī)與外部系統(tǒng)通信的接口比較豐富，如 ISA、PCI、PCI Express、PS/2、USB 等。

傳統(tǒng)的做法是對(duì)應(yīng)的接口使用對(duì)應(yīng)的接口芯片，例如 PCI 接口芯片，當(dāng)我需要很多接口時(shí)我就需要多個(gè)這樣的接口芯片，這無(wú)疑會(huì)使我們的硬件外設(shè)變得復(fù)雜，體積變得龐大，會(huì)很不方便，但是如果使用 FPGA 優(yōu)勢(shì)立馬就出來(lái)了。

因?yàn)椴煌慕涌谶壿嫸伎梢栽?FPGA 內(nèi)部去實(shí)現(xiàn)，完全沒(méi)必要那么多的接口芯片，在配合 DDR 存儲(chǔ)器的使用，將使我們接口數(shù)據(jù)的處理變得更加得心應(yīng)手。

05 人工智能

如果大家比較喜歡關(guān)注科技板塊的新聞的話(huà)最近一定會(huì)被 5G 通信和人工智能充斥眼球，確實(shí) 21 世紀(jì)已經(jīng)不知不覺(jué)走到了 2022年，在這 二十多年間，人工智能迅速發(fā)展，5G 的順利研發(fā)也使人工智能如虎添翼，可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)必將是人工智能的天下。

FPGA 在人工智能系統(tǒng)的前端部分也是得到了廣泛的應(yīng)用，例如自動(dòng)駕駛，需要對(duì)行駛路線(xiàn)、紅綠燈、路障和行駛速度等各種交通信號(hào)進(jìn)行采集，需要用到多種傳感器，對(duì)這些傳感器進(jìn)行綜合驅(qū)動(dòng)和融合處理就可以使用 FPGA。

還有一些智能機(jī)器人，需要對(duì)圖像進(jìn)行采集和處理，或者對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行處理都可以使用 FPGA 去完成，所以 FPGA 在人工智能系統(tǒng)的前端信息處理上使用起來(lái)得心應(yīng)手。

06 IC 設(shè)計(jì)

IC 這個(gè)詞大家可能一聽(tīng)到就覺(jué)得特別高深，不是凡人所能觸及到的，而 IC 設(shè)計(jì)更是一些神人才能勝任的工作。

不可否認(rèn)的是 IC 設(shè)計(jì)門(mén)檻確實(shí)比較高，但是我們也沒(méi)必要把它過(guò)于神話(huà)，其實(shí)簡(jiǎn)單點(diǎn)來(lái)講我們可以拿PCB 設(shè)計(jì)來(lái)與之比較，PCB 是拿一個(gè)個(gè)元器件在印制線(xiàn)路板上去搭建一個(gè)特定功能的電路組合，而 IC 設(shè)計(jì)呢是拿一個(gè)個(gè) MOS 管，PN節(jié)在硅基襯底上去搭建一個(gè)特定功能的電路組合，一個(gè)宏觀(guān)一個(gè)微觀(guān)。

PCB 如果設(shè)計(jì)廢了大不了重新設(shè)計(jì)再打樣也不會(huì)造成太大損失，但是如果 IC 設(shè)計(jì)廢了再重新設(shè)計(jì)那損失就很慘重了，俗話(huà)說(shuō)大炮一開(kāi)，黃金萬(wàn)兩。

那么在 IC 領(lǐng)域光刻機(jī)一開(kāi)黃金萬(wàn)兩也不是吹的，光刻膠貴的要命，光刻板開(kāi)模也不便宜，加上其他多達(dá)幾百上千道工序，其中人力、物力、機(jī)器損耗、機(jī)器保養(yǎng)，絕對(duì)是讓人肉疼的損失，所以 IC 設(shè)計(jì)都要強(qiáng)調(diào)一版成功。

保證IC 一版成功就要進(jìn)行充分的仿真測(cè)試和 FPGA 驗(yàn)證，仿真驗(yàn)證是在服務(wù)器上面跑仿真軟件進(jìn)行測(cè)試，類(lèi)似 ModelSim/VCS 軟件；FPGA 驗(yàn)證主要是把 IC 的代碼移植到 FPGA 上面，使用 FPGA 綜合工具進(jìn)行綜合、布局布線(xiàn)到最終生成 bit 文件，然后下載到 FPGA 驗(yàn)證板上面進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)于復(fù)雜的 IC 我們還可以給他拆成幾個(gè)部分功能去分別驗(yàn)證，每個(gè)功能模塊放在一個(gè) FPGA 上面，F(xiàn)PGA 生成的電路非常接近真實(shí)的 IC 芯片。

這樣極大的方便我們 IC 設(shè)計(jì)人員去驗(yàn)證自己的 IC 設(shè)計(jì)。

其他，比如電力行業(yè)的高速數(shù)據(jù)采集，醫(yī)療行業(yè)的高速、大數(shù)據(jù)量的模擬量采集傳輸，軍工行業(yè)的雷達(dá)、衛(wèi)星、制導(dǎo)系統(tǒng)等等都是FPGA的應(yīng)用領(lǐng)域。