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fpga簡(jiǎn)介

FPGA（Field－Programmable Gate Array）， 即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL（可編程陣列邏輯）、GAL（通用陣列邏輯器件）、CPL（復(fù)雜可編程邏輯器件）等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

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注：什么是現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列？顧名思義，有人推斷它是可編程的邏輯門結(jié)構(gòu)。這種解釋很接近，但又不太準(zhǔn)確，因?yàn)閮?nèi)部邏輯陣列實(shí)際并不是利用門來實(shí)現(xiàn)的。相反，我們將陣列中的這些塊稱為邏輯單元。這些邏輯單元通常由查找表 (LUT)（用于實(shí)現(xiàn)任意邏輯功能）以及一些輔助電路（例如多路復(fù)用器、加法器和觸發(fā)器）構(gòu)成。人們將這種邏輯單元陣列稱為“FPGA 結(jié)構(gòu)”。

簡(jiǎn)言之，將 FPGA 比作一個(gè)盒子，里面裝有各種沒有商標(biāo)、用于構(gòu)建數(shù)字電路的彩色構(gòu)件。我可以通過適合我的應(yīng)用的任何方式，將這些構(gòu)件連接到一起。如果能描述數(shù)字電路如何工作，就能用足夠的邏輯單元在 FPGA 內(nèi)構(gòu)建該電路。需要 25 個(gè) PWM 輸出？沒問題。需要特殊通信協(xié)議？對(duì)某些硬件進(jìn)行編程來處理該協(xié)議。

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　　fpga工作原理

　　FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個(gè)概念，內(nèi)部包括 可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個(gè)部分。

　　fpga特點(diǎn)

　　1） 采用FPGA設(shè)計(jì)ASIC電路（專用集成電路），用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。

　　2） FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。

　　3） FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。

　　4） FPGA是ASIC電路中設(shè)計(jì)周期最短、開發(fā)費(fèi)用最低、風(fēng)險(xiǎn)最小的器件之一。

　　5） FPGA采用高速CMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容。

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　　一文看懂fpga和單片機(jī)的區(qū)別

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　　單片機(jī)簡(jiǎn)介

　　單片機(jī)，全稱為單片微型計(jì)算機(jī)（Single-Chip Microcomputer），又稱微控制器（Microcontroller），是把中央處理器、存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器（Timer/Counter）、各種輸入輸出接口等都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。它的最大優(yōu)點(diǎn)是體積小，可放在儀表內(nèi)部，但存儲(chǔ)量小，輸入輸出接口簡(jiǎn)單，功能較低。由于其發(fā)展非常迅速，舊的單片機(jī)的定義已不能滿足，所以在很多應(yīng)用場(chǎng)合被稱為范圍更廣的微控制器。

　　單片機(jī)工作原理

　　單片機(jī)自動(dòng)完成賦予它的任務(wù)的過程，也就是單片機(jī)執(zhí)行程序的過程，即一條條執(zhí)行的指令的過程，所謂指令就是把要求單片機(jī)執(zhí)行的各種操作用的命令的形式寫下來，這是在設(shè)計(jì)人員賦予它的指令系統(tǒng)所決定的，一條指令對(duì)應(yīng)著一種基本操作；單片機(jī)所能執(zhí)行的全部指令，就是該單片機(jī)的指令系統(tǒng)，不同種類的單片機(jī)，其指令系統(tǒng)亦不同。

　　為使單片機(jī)能自動(dòng)完成某一特定任務(wù)，必須把要解決的問題編成一系列指令（這些指令必須是選定單片機(jī)能識(shí)別和執(zhí)行的指令），這一系列指令的集合就成為程序，程序需要預(yù)先存放在具有存儲(chǔ)功能的部件——存儲(chǔ)器中。存儲(chǔ)器由許多存儲(chǔ)單元（最小的存儲(chǔ)單位）組成，就像大樓房有許多房間組成一樣，指令就存放在這些單元里，單元里的指令取出并執(zhí)行就像大樓房的每個(gè)房間的被分配到了唯一一個(gè)房間號(hào)一樣，每一個(gè)存儲(chǔ)單元也必須被分配到唯一的地址號(hào)，該地址號(hào)稱為存儲(chǔ)單元的地址，這樣只要知道了存儲(chǔ)單元的地址，就可以找到這個(gè)存儲(chǔ)單元，其中存儲(chǔ)的指令就可以被取出，然后再被執(zhí)行。

　　程序通常是順序執(zhí)行的，所以程序中的指令也是一條條順序存放的，單片機(jī)在執(zhí)行程序時(shí)要能把這些指令一條條取出并加以執(zhí)行，必須有一個(gè)部件能追蹤指令所在的地址，這一部件就是程序計(jì)數(shù)器PC（包含在CPU中），在開始執(zhí)行程序時(shí)，給PC賦以程序中第一條指令所在的地址，然后取得每一條要執(zhí)行的命令，PC在中的內(nèi)容就會(huì)自動(dòng)增加，增加量由本條指令長(zhǎng)度決定，可能是1、2或3，以指向下一條指令的起始地址，保證指令順序執(zhí)行。

　　單片機(jī)特點(diǎn)

　　（1）體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高

　　（2）控制能力強(qiáng)

　　（3）低電壓、低功耗

　　（4）優(yōu)異的性能/價(jià)格比

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　　一文看懂fpga和單片機(jī)的區(qū)別

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　　fpga和單片機(jī)的區(qū)別

　　1、結(jié)構(gòu)上的區(qū)別

　　單片機(jī)是一種微處理器，類似于電腦CPU的，它一般采用的是哈佛總線結(jié)構(gòu)，或者馮諾依曼結(jié)構(gòu)，對(duì)單片機(jī)的編程很大程度上要考慮到它的結(jié)構(gòu)和各個(gè)寄存器的作用，單片機(jī)用途比較廣，一般用在控制流水線上，還有日常你看得到的東西上！

　　FPGA 它的結(jié)構(gòu)是查找表結(jié)構(gòu)，其程序不用去太考慮芯片的結(jié)構(gòu)，要注意的是時(shí)序上問題，它的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，功能也很強(qiáng)大，一般應(yīng)用在通信領(lǐng)域等比較高端的場(chǎng)合，目前在國(guó)內(nèi)FPGA還算是一個(gè)新興的行業(yè)，當(dāng)然它的價(jià)格也要比單片機(jī)貴得多！

　　單片機(jī)是一個(gè)微控制器，通過加載模塊軟件來實(shí)現(xiàn)某種功能，單片機(jī)是成型的芯片;FPGA是用來設(shè)計(jì)芯片的芯片。

　　2、速度上的區(qū)別

　　FPGA由于是硬件電路，運(yùn)行速度直接取決于晶振速度，系統(tǒng)穩(wěn)定，特別適合高速接口電路。單片機(jī)由于是單線程，哪怕是常用的M3系列流水線也是單線程執(zhí)行，程序語句需要等待單片機(jī)周期才能執(zhí)行。

　　3、本質(zhì)區(qū)別

　　FPGA和單片機(jī)的區(qū)別，本質(zhì)上是軟件和硬件的區(qū)別，FPGA更偏向于硬件電路，而單片機(jī)更偏于軟件。

　　單片機(jī)設(shè)計(jì)屬軟件范疇;它的硬件（單片機(jī)芯片）是固定的，通過軟件編程語言描述軟件指令在硬件芯片上的執(zhí)行;

　　FPGA設(shè)計(jì)屬硬件范疇，它的硬件（FPGA）是可編程的，是一個(gè)通過硬件描述語言在FPGA芯片上自定義集成電路的過程;

　　4、應(yīng)用上的區(qū)別

　　應(yīng)用上，差別更大。MCU最終所有的指令在一個(gè)MCU中都是順序執(zhí)行的，而FPGA由于是邏輯單元，很容易做到并行執(zhí)行。

? ? ? ?5、入門難易程度

單片機(jī)比FPGA簡(jiǎn)單些，價(jià)格也低一些。要做PID算法控制的用單片機(jī)可以，STM32F4系列已經(jīng)到300M+跑PID完全足夠，如果是跑嵌入式的話可以上ARM芯片。涉及通信、圖像等高速部分可以采用單FPGA模塊。

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注：為什么我會(huì)需要 FPGA？
FPGA 可用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字系統(tǒng)，但簡(jiǎn)單的微控制器通常也能夠達(dá)到同樣的效果。微控制器價(jià)格低廉，而且易于放置在印刷電路板上。雖然 FPGA 是一種功能強(qiáng)大的工具，但未必適合所有情況。它們有更多的功耗、布局和外部電路要求，甚至可能非常苛刻。使用成本高昂且具有諸多特殊要求的 FPGA 似乎有些不合時(shí)宜。
但您也許已經(jīng)猜到了需要 FPGA 的原因：靈活性。您擁有可配置的邏輯塊，就意味著不再受到硬件的制約。您不會(huì)再遇到定時(shí)器或 UART 不夠用的情況，只要您擁有邏輯單元便可創(chuàng)建更多定時(shí)器或 UART。它能夠隨著技術(shù)和要求的變化，在今后進(jìn)行重新配置，從而延長(zhǎng)產(chǎn)品的生命周期。
第二個(gè)原因是速度。微控制器只能按順序一次執(zhí)行一條指令。由于硬件特性，FPGA 結(jié)構(gòu)本身是并行的。因此它能同時(shí)執(zhí)行多個(gè)指令，這對(duì)于 FFT 或圖形處理等操作非常有用，因?yàn)樵诎错樞驁?zhí)行的處理器上，這些操作可能產(chǎn)生很高的成本。與 LVDS 等典型微控制器相比，FPGA 還提供了更多高速?I/O?選項(xiàng)，收發(fā)器能夠以 10+ Gbps 的速度處理 HDMI 等協(xié)議。
如何為 FPGA 編程？
FPGA 采用一種名為 HDL（即硬件描述語言）的特殊語言。它主要包含兩種語言：Verilog 和 VHDL。幾乎所有開發(fā)套件（例如 Quartus 或?Vivado）都支持這兩種語言，所以選擇哪種語言只是偏好問題。然后對(duì)這兩種語言進(jìn)行“合成”，這類似于微控制器的編譯。合成工具告訴 FPGA 如何連接其邏輯單元，以產(chǎn)生代碼所描述的效果。請(qǐng)記住，代碼被轉(zhuǎn)換為硬件指令而非 CPU 指令，在您開始使用時(shí)，務(wù)必牢記這一點(diǎn)。
為了簡(jiǎn)化開發(fā)，FPGA 供應(yīng)商提供了常用代碼塊目錄，供您輕松置入到設(shè)計(jì)中。其中包括倍頻器、RAM 和通信塊等。您可對(duì)它們進(jìn)行配置并添加到設(shè)計(jì)中，而無需查看涉及的 HDL 代碼，從而加快開發(fā)速度。
圖 2：顯示來自?xilinx?目錄和 HLS 的 IP 塊的部分框圖。（圖片來源：eewiki.net）
有些供應(yīng)商還提供高級(jí)別合成 (HLS) 工具，能夠?qū)⑹褂?C 或 C++ 語言編寫的功能轉(zhuǎn)換為 HDL 代碼塊。使用這些工具，可以通過抽除一些低級(jí)別細(xì)節(jié)，顯著減少具有軟件背景的開發(fā)人員的入門障礙。

它能夠使用軟處理器。軟處理器是從 FPGA 的邏輯單元構(gòu)建的完整處理器。利用軟處理器，您能夠?yàn)樘幚砥鳂?gòu)建定制的輔助硬件，并使用 C 語言編寫應(yīng)用程序。可在幾分鐘內(nèi)完成簡(jiǎn)單的軟處理器系統(tǒng)設(shè)置和編程。如果仍需要傳統(tǒng)處理器，可考慮在單一封裝中包含 FPGA 和硬?ARM?處理器的 SoC。
???? 總之，與典型的微控制器相比，FPGA 的成本更高，使用難度更大，但它們能夠提供更強(qiáng)的性能和靈活性。隨著技術(shù)的改進(jìn)，集成度的提高，FPGA 的成本變得更低，它們甚至能夠取代傳統(tǒng)的微控制器。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的初识FPGA（搬运）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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