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想要從FPGA小白成為達人,這些你必須知道(附國產(chǎn)FPGA分析)

 君莫笑hzh 2020-03-24
什么是FPGA?

首先,如果你從未接觸過FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列),或者有過一點基礎(chǔ)想要繼續(xù)深入了解這個行業(yè),在這個小節(jié),我會向你介紹FPGA,并且向你解釋FPGA都能解決什么問題,如何解決這些問題,并討論如何將設(shè)計進行優(yōu)化等等。

在FPGA四個英文字母中,F(xiàn)代表著Field,即現(xiàn)場,那什么是現(xiàn)場呢?FPGA中的現(xiàn)場,是一種廣義上的現(xiàn)場,既有指代產(chǎn)品所處之地,又體現(xiàn)的是FPGA的一種“即時性”;而P是Programmable,代表著可編程;G為Gate,門,也就是數(shù)字電路之中的邏輯門;A為Array,指由邏輯門組成的陣列。將四個英文單詞組合,就是我們常說的現(xiàn)場可編程邏輯門陣列——FPGA。

與其他搭建硬件平臺的方式相比,F(xiàn)PGA做了兩件事,首先,它使你能夠自由地搭建你需要的硬件平臺,取代了從前使用ASIC(專用集成電路)時所不得不承擔(dān)的長開發(fā)時間、高額開發(fā)經(jīng)費以及設(shè)計風(fēng)險,另外一點,相比于其它的硬件構(gòu)成,它允許你構(gòu)建你所需要的硬件而不需要ASIC,而且比采用微處理器內(nèi)核更簡單、快速、省電。

為什么我們需要FPGA?

1.編程自由度高

FPGA貌似在數(shù)字世界里無所不能,它就像樂高的積木一樣可以搭建各種不同的功能模塊,實現(xiàn)你所希望的各種功能,當(dāng)然,首先你必須掌握最基本的數(shù)字邏輯知識,學(xué)會一種用來構(gòu)建各種功能的工具語言,再次你要動腦,一個優(yōu)秀的建筑師的作品是在腦子里勾畫出來的,而不是拿積木碰運氣拼湊出來的。

2.開發(fā)周期短:“現(xiàn)場可編程”

FPGA可以使你去對產(chǎn)品進行“現(xiàn)場”編程,這使得調(diào)試周期縮短,產(chǎn)品也就能夠迅速適應(yīng)新的工藝標準。并且產(chǎn)品在已經(jīng)在現(xiàn)場安裝上了之后依然可以對其硬件進行直接配置,也就是我們所說的“現(xiàn)場可編程”。

3.高速

FPGA的高速體現(xiàn)在兩個方面:并行性,PLL鎖相環(huán)。

第一點是FPGA的并行性,相比于傳統(tǒng)的MCU,程序規(guī)模越大,越能體現(xiàn)出FPGA的優(yōu)勢。

第二點就是PLL鎖相環(huán),MCU上同樣含有PLL鎖相環(huán),但它受到的限制非常大,通常只能進行幾個檔位的倍頻,而FPGA上的PLL倍頻自由度較高,以Altera公司生產(chǎn)的MAX10為例,50MHz的時鐘通常在芯片允許的情況下外部時鐘可倍頻到470MHz左右,而內(nèi)部時鐘可倍頻到1.3GHz。

4.高集成度

當(dāng)半導(dǎo)體行業(yè)產(chǎn)品集成度越來越高的同時,編程者門也意識到可以在FPGA中建立整個子系統(tǒng),而不是只局限于使用ASIC,他們可以將更多的設(shè)備放在相同大小的封裝里——并且允許實現(xiàn)更多樣的功能和更復(fù)雜的算法,計算速度上升的同時,功耗也會更小。

5.可嵌入IP硬核

FPGA可以內(nèi)置IP核,提供豐富強大的功能,使開發(fā)者無需浪費時間去重復(fù)的構(gòu)建同一種功能模塊。同時,也會減少資源的消耗并且節(jié)約很多資金。


接下來,想跟《電子發(fā)燒友網(wǎng)》微信公眾號的燒友們聊下fpga突出特點。

可以說,F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。

采用FPGA設(shè)計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。FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I/O引腳。

FPGA是ASIC電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風(fēng)險最小的器件之一。FPGA采用高速CMOS工藝,功耗低,可以與CMOS、TTL電平兼容。可以說,F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。

FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的,因此,工作時需要對片內(nèi)的RAM進行編程。

用戶可以根據(jù)不同的配置模式,采用不同的編程方式。加電時,F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中,配置完成后,F(xiàn)PGA進入工作狀態(tài)。

掉電后,F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片,內(nèi)部邏輯關(guān)系消失,因此,F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無須專用的FPGA編程器,只須用通用的EPROM、PROM編程器即可。當(dāng)需要修改FPGA功能時,只需換一片EPROM即可。

這樣,同一片F(xiàn)PGA,不同的編程數(shù)據(jù),可以產(chǎn)生不同的電路功能。因此,F(xiàn)PGA的使用非常靈活。

FPGA典型應(yīng)用

典型應(yīng)用一:接口邏輯控制——提供前所未有的靈活性

1、PCI、PCI Express、PS/2、USB等接口控制器

2、SDRAM、DDR、SDRAM、QDR、SRAM、NAND Flash、NOR Flash等接口控制器

3、電平轉(zhuǎn)換,LVDS、TTL、COMS、SSTL等

典型應(yīng)用二:高速的數(shù)字信號處理——提供前所未有的計算能力

1、無線通信領(lǐng)域,如軟件無線電(SDR);

2、視頻圖像處理領(lǐng)域,如高清晰數(shù)字電視(HDTV);

3、軍事和航空航天領(lǐng)域,如雷達聲納、安全通信。

其他應(yīng)用領(lǐng)域

1、汽車,如網(wǎng)關(guān)控制器、車用PC、遠程信息處理系統(tǒng)等;

2、消費產(chǎn)品,如顯示器/投影儀、數(shù)字電視和機頂盒、家庭網(wǎng)絡(luò)等;

3、醫(yī)療,如電療、血液分析儀、醫(yī)療檢測設(shè)備等

4、通信設(shè)備 ,如蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施、寬帶無線通信、軟件無線電等

5、測試與測量,如通信測試與監(jiān)測、半導(dǎo)體、自動測試設(shè)備、通用儀表等。


全球FPGA發(fā)展概況

從市場規(guī)模來看,全球FPGA近幾年基本維持在50億美元左右,應(yīng)用則以傳統(tǒng)通信市場為主,云計算、IoT等新興市場尚在培育期。

Xilinx、Altera、Lattice三家廠商營收始終位于全球前三甲,每年的營收、凈利潤增長以及毛利率都相對穩(wěn)定。

技術(shù)方面,近十年FPGA沒有根本性的進步,行業(yè)壟斷已經(jīng)形成。

Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi等廠商共計擁有超過10000件專利,占總量60%以上,F(xiàn)PGA架構(gòu)和核心電路、應(yīng)用方案,基本被這幾家國外廠商專利網(wǎng)覆蓋,后進者發(fā)展受到極大限制。

資料顯示,Xilinx Virtex UltraScale Plus系列產(chǎn)品,采用16納米先進制程工藝,擁有超過28520萬門,Serdes速率為32.75Gbps ,即將開始量產(chǎn),在技術(shù)上依舊領(lǐng)先競爭對手。


中國的現(xiàn)狀和機遇

數(shù)據(jù)顯示,中國FPGA市場國產(chǎn)化率非常低,政府部門國產(chǎn)應(yīng)用率不足30%,還有很大提升空間,商用市場國產(chǎn)化率就更低,形勢不容樂觀。

包朝偉表示,國內(nèi)廠商FPGA產(chǎn)品在中國市場的份額總計不足5%,只有紫光同創(chuàng)、安路等廠商在中低密度市場取得了一些成績。

不過,由于全球絕大部分FPGA專業(yè)人才集中在前幾家龍頭廠商,其它廠商人才匱乏,再加上FPGA開發(fā)需要最先進的制造封測工藝、軟件開發(fā)難度大、IP多且雜,需要大量應(yīng)用才能支撐市場,因此中國目前的發(fā)展存在嚴重滯后的問題。

當(dāng)然,這也是國內(nèi)廠商的發(fā)展機會。從信息、產(chǎn)業(yè)和國防安全等方面考慮,中國不僅需要自主FPGA,而且還需要將其快速國產(chǎn)化。在AI、IoT、5G快速發(fā)展和即將商用的情況下,預(yù)計將帶來龐大的FPGA增量市場,而這也是國內(nèi)廠商快速切入的時機。

作為一種可編程邏輯器件,F(xiàn)PGA在短短二十多年中從電子設(shè)計的外圍器件逐漸演變?yōu)閿?shù)字系統(tǒng)的核心。伴隨半導(dǎo)體工藝技術(shù)的進步,F(xiàn)PGA器件的設(shè)計技術(shù)取得了飛躍發(fā)展及突破。通過FPGA器件的發(fā)展歷程來看,今后仍將朝下以下幾個方向發(fā)展:

  ·高密度、高速度、寬頻帶、高保密;

  ·低電壓、低功耗、低成本、低價格;

  ·IP軟/硬核復(fù)用、系統(tǒng)集成;

  ·動態(tài)可重構(gòu)以及單片集群;

  ·緊密結(jié)合應(yīng)用需求,多元化發(fā)展。

下面給大家介紹三個目前比較受歡迎的FPGA學(xué)習(xí)網(wǎng)站。

首先當(dāng)然是我們的電子發(fā)燒友網(wǎng)1000w+月訪問量,有著300萬用戶群體一起探討工程師的精彩世界。在我們的網(wǎng)站里有最新最全的技術(shù)干貨,最及時的行業(yè)新聞。

Xilinx的分銷商AVNET基于Xilinx的Zynq器件做的一系列ZED板卡的資源網(wǎng)站,有每個版本的板子的設(shè)計文檔,對于用Xilinx的FPGA做設(shè)計的工程師其原理圖等的設(shè)計文檔非常具有參考意義。

Digilent是Xilinx的全球大學(xué)計劃合作伙伴,基于Xilinx最新推出的器件都有對應(yīng)的學(xué)習(xí)板,并有配套的教程,幾年前被NI收購,Digilent在中國也深耕多年,尤其是其Basys板子非常受高校教師的歡迎。在Digilent的網(wǎng)站上有每個板卡的硬件設(shè)計文檔、教學(xué)案例等,對于初學(xué)者來講非常有幫助。

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