現場可編程門陣列（FPGA）技術不斷呈現增長勢頭。 1984年Xilinx剛剛創造出FPGA時，它還是簡單的膠合邏輯芯片，而如今在信號處理和控制應用中，它已經取代了自定制專用集成電路（ASIC）和處理器。 這項技術的成功之處到底在哪里？ 本文將主要介紹FPGA，并著重描述FPGA的獨特優勢。

1. 什么是FPGA？

在最高層面上，FPGA是可重新編程的硅芯片。 使用預建的邏輯塊和可重新編程布線資源，用戶無需再使用電路試驗板或烙鐵，就能配置這些芯片來實現自定義硬件功能。 用戶在軟件中開發數字計算任務，并將它們編譯成配置文件或比特流，其中包含元器件相互連接的信息。此外，FPGA可完全可重配置，當用戶在重新編譯不同的電路配置時，能夠當即呈現全新的特性。 過去，只有熟知數字硬件設計的工程師懂得使用FPGA技術。 然而，高層次設計工具的興起正在改變FPGA編程的方式，其中的新興技術能夠將圖形化程序框圖、甚至是C代碼轉換成數字硬件電路。

各行各業紛紛采用FPGA芯片是源于FPGA融合了ASIC和基于處理器的系統的最大優勢。 FPGA能夠提供硬件定時的速度和穩定性，且無需類似自定制ASIC設計的巨額前期費用的大規模投入。 可重新編程的硅芯片的靈活性與在基于處理器的系統上運行的軟件相當，但它并不受可用處理器內核數量的限制。與處理器不同的是，FPGA屬于真正的并行實行，因此不同的處理操作無需競爭相同的資源。 每個獨立的處理任務都配有專用的芯片部分，能在不受其它邏輯塊的影響下自主運作。因此，添加更多處理任務時，其它應用性能也不會受到影響。

2. FPGA技術的五大優勢

性能、上市時間、成本、穩定性、長期維護

性能— 利用硬件并行的優勢，FPGA打破了順序執行的模式，在每個時鐘周期內完成更多的處理任務，超越了數字信號處理器（DSP）的運算能力。 著名的分析與基準測試公司BDTI，發布基準表明在某些應用方面，FPGA每美元的處理能力是DSP解決方案的多倍。2在硬件層面控制輸入和輸出（I/ O）為滿足應用需求提供了更快速的響應時間和專業化的功能。

上市時間— 盡管上市的限制條件越來越多，FPGA技術仍提供了靈活性和快速原型的能力。 用戶可以測試一個想法或概念，并在硬件中完成驗證，而無需經過自定制ASIC設計漫長的制造過程。3由此用戶就可在數小時內完成逐步的修改并進行FPGA設計迭代，省去了幾周的時間。 商用現成（COTS）硬件可提供連接至用戶可編程FPGA芯片的不同類型的I/O。 高層次的軟件工具的日益普及降低了學習曲線與抽象層，并經常提供有用的IP核（預置功能）來實現高級控制與信號處理。

成本— 自定制ASIC設計的非經常性工程（NRE）費用遠遠超過基于FPGA的硬件解決方案所產生的費用。 ASIC設計初期的巨大投資表明了原始設備制造商每年需要運輸數千種芯片，但更多的最終用戶需要的是自定義硬件功能，從而實現數十至數百種系統的開發。可編程芯片的特性意味著用戶可以節省制造成本以及漫長的交貨組裝時間。 系統的需求時時都會發生改變，但改變FPGA設計所產生的成本相對ASCI的巨額費用來說是微不足道的。

穩定性— 軟件工具提供了編程環境，FPGA電路是真正的編程“硬”執行過程。 基于處理器的系統往往包含了多個抽象層，可在多個進程之間計劃任務、共享資源。 驅動層控制著硬件資源，而操作系統管理內存和處理器的帶寬。對于任何給定的處理器內核，一次只能執行一個指令，且基于處理器的系統時刻面臨著嚴格限時的任務相互取占的風險。 而FPGA不使用操作系統，擁有真正的并行執行和專注于每一項任務的確定性硬件，可減少穩定性方面出現問題的可能。

長期維護— 正如上文所提到的， FPGA芯片是現場可升級的，無需重新設計ASIC所涉及的時間與費用投入。 舉例來說，數字通信協議包含了可隨時間改變的規范，而基于ASIC的接口可能會造成維護和向前兼容方面的困難。可重新配置的FPGA芯片能夠適應未來需要作出的修改。 隨著產品或系統成熟起來，用戶無需花費時間重新設計硬件或修改電路板布局就能增強功能。

3. 總結

較高級別的工具不斷改進，為各個專業水平的工程師和科學家帶來可重新編程的硅芯片，FPGA技術的采用也越來越為廣泛。