在我們嵌入式中，有這樣一朵奇葩介于軟件與硬件之間，這朵奇葩就是FPGA。可能很多平時玩MCU比較多的朋友不太了解。

之前我也不太了解，但是最近兩年的這兩份工作都有與FPGA掛鉤，所以我精通FPGA程序的燒寫（不僅如此，我還精通電腦的開關機，哈哈）：

下面我們一起來簡單了解一下。

什么是FPGA

FPGA （Field Programmable Gate Array ），即現場可編程邏輯門陣列，屬于專用集成電路中的一種半定制電路，是可編程的邏輯列陣，能夠有效的解決原有的器件門電路數較少的問題。

FPGA 的基本結構包括可編程輸入輸出單元，可配置邏輯塊，數字時鐘管理模塊，嵌入式塊RAM，布線資源，內嵌專用硬核，底層內嵌功能單元。

FPGA說白了就是一顆芯片，只不過是半定制的芯片，它里面的電路可以通過硬件描述語言來設計，所以靈活性很高。

設計語言及平臺

為什么說FPGA是一朵介于軟件與硬件之間的一朵奇葩呢。

因為說它屬于硬件吧，但是也是需要寫代碼的，說它是軟件吧，但其思想又與我們一些軟件設計思想不符（FPGA程序是并行執行的），而且又得對一些數電及一些芯片規格、芯片內部原理等硬件知識了解得很深。綜合來說，我覺得FPGA還是屬于硬件的范疇。

FPGA使用硬件描述語言來開發， 常用的主要有VHDL、Verilog HDL、System Verilog 和 System C。其中，Verilog HDL是廣泛應用的硬件描述語言，可以用于硬件設計流 程的建模、綜合、模擬等多個階段。

Verilog HDL 優點：類似C語言，上手容易，靈活。大小寫敏感。在寫激勵和建模方面有優勢。缺點：很多錯誤在編譯的時候不能被發現。

FPGA的應用及發展

FPGA一般應用在高性能處理、實時要求高的領域，比如高速接口、報文轉發、圖像處理、視頻傳輸、輔助電機控制（比如伺服驅動器）等，還可以應用在芯片前期驗證。

說個我們MCU玩家可能比較熟悉的：MCU芯片的前期設計驗證。大家有沒有想過STM32是怎么做出來的呢？

首先,用FPGA來設計STM32內部的電路，設計完之后就可以把這FPGA芯片當成STM32來用，然后就可以寫C代碼去驗證一些外設。

如果發現外設功能不正常，那又可以用硬件描述語言來修改FPGA內部電路，不斷修改直到FPGA的功能都正常（具有與一般MCU芯片一樣的功能），然后再拿去封裝成一顆顆芯片，就是我們在用的STM32。

大家不要誤以為我是ST的工程師哈，以上只是一些自己接觸到的東西加上自己的一些之前的學習了解到的東西。

上面用到的相關是SOPC技術。什么是SOPC技術呢？

SOPC技術簡介

SOPC是在單純的FPGA芯片上使用FPGA的邏輯和存儲器資源搭建一個軟核CPU系統，由該軟核CPU實現所需處理器的完整功能。

由于是使用FPGA的通用邏輯搭建的CPU，因此具有一定的靈活性，用戶可以根據自己的需求對CPU進行定制裁剪，增加一些專用功能，例如除法或浮點運算單元，用于提升CPU在某些專用運算方面的性能，或者刪除一些在系統里面使用不到的功能，以節約邏輯資源。

另外也可以根據用戶的實際需求，為CPU添加各種標準或定制的外設，例如UART，SPI，IIC等標準接口外設，同時，用戶也可以自己使用FPGA的邏輯資源，編寫各種專用的外設，然后連接到CPU總線上，由CPU進行控制，以實現軟硬件的協同工作。

在保證系統性能的同時，增加了系統的靈活性。而且，如果單個的軟核CPU無法滿足用戶需求，可以添加多個CPU軟核，搭建多核系統，通過多核CPU協同工作，讓系統擁有更加靈活便捷的控制能力。

由于CPU是使用FPGA的通用邏輯資源搭建的，相較使用經過布局布線優化的硬核處理器來說，軟核處理器夠運行的最高實時鐘主頻要低一些，而且也會相應的消耗較多的FPGA邏輯資源以及片上存儲器資源。

因此SOPC方案僅適用于對于數處理器整體性能要求不高的應用，例如整個系統的初始化配置，人機交互，多個功能模塊間的協調控制等功能。再如在芯片的設計驗證階段，主要保證芯片功能沒問題即可。

在高端應用上，比如視覺、機器人的應用上，會用到SoC FPGA技術。什么又是SoC FPGA技術呢？

SoC FPGA技術簡介

從架構的角度來說，SOPC和SOPC FPGA是統一的，都是由FPGA部分和處理器部分組成。在SoC FPGA 中，嵌入的是ARM公司的Cortex-A9硬核處理器，簡稱HPS(Hardware Processor System)。

而SOPC技術中，嵌入的是NIOS II 軟核處理器，兩者指令集不一樣，處理器性能也不一樣。Cortex-A9硬核處理器性能遠遠高于NIOS II 軟核處理器。

相關芯片就是Altera公司的Cyclone V SoC FPGA芯片。Cyclone V SoC FPGA 片上的HPS部分，不僅集成了有雙核的Cortex-A9硬核處理器，還集成了各種高性能外設，如MMU、DDR3控制器、Nand FLASH控制器等，有這些外設，HPS部分就可以運行成熟的Linux操作系統。

NIOS II軟核CPU雖然可以通過配置，用邏輯資源來搭建相應的控制器以支持相應功能，但是從性能和開發難度上來說，基于SoC FPGA架構進行設計開發是比較好的選擇。

雖然SoC FPGA芯片上既包含了有ARM，又包含了有FPGA，但是兩者一定程度上是相互獨立的，SoC芯片上的ARM處理器核并非是包含于FPGA邏輯單元內部的，FPGA和ARM（HPS）處理器只是封裝到同一個芯片中，JTAG接口、電源引腳和外設的接口引腳都是獨立的。

因此，如果使用SoC FPGA芯片進行設計，即使不使用到片上的ARM處理器，ARM處理器部分占用的芯片資源也無法釋放出來，不能用作通用的FPGA資源。而SOPC則是使用FPGA通用邏輯和存儲器資源搭建的CPU，當不使用CPU時，CPU部分占用的資源可以被釋放，重新用作通用FPGA資源。

相關資料：

《阿東 手把手教你學FPGA》《小梅哥 基于SoC FPGA的嵌入式設計和開發教程》

最后

FPGA技術是一項很熱門、很吃香的技術，但也是有門檻的。比如學歷，很多FPGA相關得崗位，都需要研究生學歷。FPGA一般研究生階段會接觸得比較多，如果本科階段能接觸到，那就太幸福了，可以學一學。正點原子和野火也在做這方面的教程吧。正點原子的做FPGA教程的好像是《手把手教你學FPGA》這本書的作者，很好的書。

FPGA在高端領域用得多，什么是高端領域前面介紹的時候已經有說，工業機器人、圖像處理等。有機會可以去大廠走一遭（大廠也有容易進的），接觸一些一般在一般公司接觸不到的東西，可以刷新我們的認知。大廠的特點就是有錢、任性，用的都是高端芯片。

之前的公司用的都是Altera的Cyclone V SoC FPGA芯片、TI的DSP28377、AM5728等高端芯片，有的項目甚至幾塊高端芯片一起上，但是并沒有用到那么多的芯片資源。那時候發現STM32好low啊，但現在是真香，哈哈。

大家都知道我們做嵌入式的，要涉及的東西都很雜，在專注于一個方向的前提下多了解一些其它知識也是很有幫助的。關于FPGA相關的筆記我是寫不動了，因為我這方面學得不多，也基本都忘了。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的一文带你认识FPGA~的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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