FPGA的應用

FPGA 是可編程再設計的“萬能”芯片。FPGA （Field Programmable Gate Array）現場可編程門陣列，是在硅片上預先設計實現的具有可編程特性的集成電路，它能夠按照設計人員的需求配置為指定的電路結構，讓客戶不必依賴由芯片制造商設計和制造的 ASIC 芯片。

FPGA的核心優點：可編程靈活性高、開發周期短、并行計算可編程靈活性高。與ASIC的全定制電路不同，FPGA屬于半定制電路。理論上，如果FPGA提供的門電路規模足夠大，通過編程可以實現任意ASIC和DSP的邏輯功能。另外，編程可以反復，不像ASIC設計后固化不能修改。

由于FPGA內部結構的特點，它可以很容易地實現分布式的算法結構，這一點對于實現的高速數字信號處理十分有利。通過FPGA來實現分布式的算術結構，就可以有效地實現這些乘和累加操作。

FPGA自從誕生開始便是工業設計的寵兒，特別是在通信，語音，圖像，人工智能等領域一直發揮著不可替代的作用。應用場景較為豐富，包括：ASIC 原型設計、汽車、收發器、消費電子、數據中心、高性能計算、工業、醫療、測試/測量、有線/無線通信等。其中通信、消費電子和汽車是主要應用場景，市場規模持續擴大。

AI領域

5G時代，人工智能領域的需求呈現持續快速爆發式增長。基于CPU的傳統計算架構無法充分滿足人工智能高性能并行計算的需求，FPGA是低功耗異構芯片，開發周期快，編程靈活，在AI領域應用廣泛。

自動駕駛

對于自動駕駛來說，反應速度非常重要，主要用到攝像頭、雷達和激光雷達。且設備需要不斷更新，這時候FPGA的優勢就凸顯出來了，可以配合算法實現快速更新。

5G通信

可編程的核心特性與5G無線網絡對靈活性、性價比和智能化的需求不謀而合。很多通信業務的應用場景是需要隨時升級的，與FPGA相比，ASIC的靈活性不夠，無法跟上算法的迭代更新，因此選擇 FPGA是一個更好的選擇。

工業互聯網

FPGA在工業互聯網的應用領域聚焦在五個方面：工業網絡通信，機器視覺，工業機器人，邊緣計算，工業云。這五個方面跨越多個應用場景，且在每個場景有一個共性：低延時，對計算性能要求高。基于這樣的特性，FPGA將成為構建工業互聯網發展的基石之一。

數據中心

FPGA已經在大型數據中心得到大規模應用，全球七大超級云計算數據中心包括微軟、阿里云、騰訊云、百度云、Facebook都采用了FPGA加速服務器。人工智能的廣泛應用場景的架構多樣性，可以充分發揮FPGA的優勢和特點，開創新型FPGA在數據中心的新局面。

ARM應用

ARM公司是一家知識產權（IP）供應商，它與一般的半導體公司最大的不同就是不制造芯片且不向終端用戶出售芯片，而是通過轉讓設計方案，由合作伙伴生產出各具特色的芯片。ARM公司利用這種雙贏的伙伴關系迅速成為了全球性RISC微處理器標準的締造者。這種模式也給用戶帶來巨大的好處，因為用戶只掌握一種ARM內核結構及其開發手段，就能夠使用多家公司相同ARM內核的芯片。

目前ARM CPU 在移動端，物聯網，以及工業控制等領域占絕對的統治地位

工業控制

作為 32 位的 RISC 架構，基于 ARM 核的微控制器芯片不但占據了高端微控制器市場的大部分市場份額，同時也逐漸向低端微控制器應用領域擴展， ARM 微控制器的低功耗、高性價比，向傳統的 8 位 /16 位微控制器提出了挑戰。

無線通訊

目前已有超過 85% 的無線通訊設備采用了 ARM 技術， ARM 以其高性能和低成本，在該領域的地位日益鞏固。

消費類電子

ARM 技術在目前流行的數字音頻播放器、數字機頂盒和游戲機中得到廣泛采用。

成像和安全產品

現在流行的數碼相機和打印機中絕大部分采用 ARM 技術。手機中的 32位 SIM 智能卡也采用了 ARM 技術。

內嵌處理器硬核的FPGA

即SoC FPGA，是在芯片設計之初，就在內部的硬件電路上添加了硬核處理器，是純硬件實現的，不會消耗FPGA的邏輯資源，硬核處理器和FPGA邏輯在一定程度上是相互獨立的，簡單的說，就是SoC FPGA就是把一塊ARM處理器和一塊FPGA芯片封裝成了一個芯片。

?ＡRM和FPGA 的結合更是給設計帶來了高性能，高靈活性等便利，而且也是目前非常流行的設計方式

?目前支持ARM-SOC的FPGA器件有：Xilinx-ZYNQ( Artis, Kintex,Ultra-scale), Intel( Cyclone-5,Arria-10)。

ZYNQ硬件資源（最主流SOC的芯片）

下面引用Xilinx官方UG585的框圖來介紹Zyqn的硬件資源：

PS端

PS即可編程系統部分，指的是ARM處理器部分。主要包括：

1、應用處理器APU(Application Processor Unit)：

a、最高達雙核ARM Cortex-A9多核處理器CPU

b、DMA控制器

c、通用的中斷控制器等等

2、存儲器接口Memory Interface：

a、DDR內存控制器接口，支持PS端的DDR內存讀寫控制。

b、QSPI接口：提供1-2個SPI接口，支持QSPI啟動。

c、靜態存儲器控制器（Static Memory Controller）：提供了NAND存儲器的讀/寫和控制功能。

3、外部I/O口 （I/O Peripherals）：

a、GPIO接口，PS端有54個通用GPIO接口，可以通過EMIO口擴展到PL端128個GPIO接口，最多192個GPIO接口。ETH接口，以太網控制器接口

b、USB接口，2個USB接口，支持USB2.0設備。

c、SD卡接口，可以作為Zyqn的啟動設備，存儲Linux系統等。

d、SPI接口，支持2個SPI接口。

e、CAN BUS工業接口。

f、UART接口X2,標準串口。

g、I2C接口。

4、內部接口 （Interconnect）主要是針對于PL部分通信的AXI接口等等和EMIO接口等等。

PL端

PL即可編程邏輯部分，指的是FPGA部分。PL和PS兩者之間可以通過總線進行通信。如果在進行軟件調試時，發現某些算法太慢，速度上不去，可以用FPGA的邏輯部分把這部分進行優化，從FPGA邏輯部分到ARM軟件開發，可以在Xilinx的開發環境里切換。

主要包括：

包括可配置邏輯單元CLB

BRAM資源

數字信號處理DSP48E1單元

CMT時鐘管理單元

Select I/O可配置的IO資源

GTX接口，低功耗的千兆收發器，最高可達12.5GB/s。

XADC模數轉換器。

PCIE接口，可以配置PCIE接口。

ICF-BM7030

圍繞Zynq的硬件資源可以進行開發板和硬件單板的開發，以7z030芯片為例，ICF-BM7030的開發板資源如下：

開發板集成和利用了大部分的PS和PL端接口，適合Zynq的研究項目和課題研究：

主芯片及外部接口標注如下圖：

1：Xilinx Xc7z030-2ffg676I

2: 6位共陽數碼管（PL）

3：電源 DC-12v/4A

4：千兆接口 （PL端）

5：語音輸入、輸出 （PL）

6：千兆接口（PS）

7：SD-CARD 接口（PS）

8：USB2.0高速接口（PS）

9：按鍵（PL）

10：開關（PL）

11：FPGA/ARM-JTAG

12：GPIO （PL）

13：HDMI （PL）

14：FMC（LPC）

15：SFP+接口（PL）

16：RISC-V JTAG外部接口

17：RISC-V JTAG內置USB接口，UART轉USB接口

SOC的發展趨勢

隨著高速數字信號通信和處理的需求和發展，以及對更為完善的便攜式系統的期望，構架系統模塊的處理器就必須更加地強有力。這一要求對ARM和FPGA芯片市場提出了重要的挑戰，其中最重要的三個方面是FPGA的功耗、性能和成本。目前已有許多研究來平衡這三方面的要求，如利用系統芯片（SOC）可以將盡可能多的功能集成在一片FPGA芯片上或FPGA芯片集上，使其性能上具有速率高、功耗低;在成本上價格低廉;而且還可以降低復雜性，便于使用。

今后高速ARM加FPGA技術的發展趨勢，將是以系統芯片為核心，信息處理速度將達到每秒幾十億次乘加運算，因此，只有多系統芯片才能肩負此重任。嵌入式系統已經與SOC技術融合在一起，成為新一代信息技術的基礎。基于ARM加FPGA的嵌入式系統不僅具有其他微處理器和單片機嵌入式系統的優點和技術特性，而且還可能利用并行算法操作，具有更高速的數字信號處理能力，為實現系統的實時性提供了更為有利的支持。ARM加FPGA系統必將成為現在以及未來工業領域的重要支柱。

編輯：jq