姓名：张俸玺 学号：20012100022 学院：竹园三号书院
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【嵌牛导读】FPGA，可编程门阵列，作为一种较为新型的技术，为大多数人所陌生。如今，FPGA成为一个技术热门。那么，FPGA为何在今天如此倍受追捧？FPGA的技术优势是什么？本文进行了简要解答。
【嵌牛鼻子】FPGA ASIC DSP
【嵌牛提问】FPGA的技术优势是什么？
【嵌牛正文】
许多人应该都知道FPGA功能的强大，但它强大在哪儿？以单片机举例说明，我们都知道，单片机功能强大，能完成非常多的工作，而FPGA与之相比只强不弱。因为只要单片机能实现的功能FPGA就一定能实现，当然这需要加一个大前提——就是要在FPGA资源足够大的情况下；但是FPGA能实现的功能单片机却不一定能够轻松做到，这是不争的事实，如果你不相信那只能够说明你还不了解FPGA。
说到这里，有人不禁要问：既然FPGA这么厉害，为什么单片机的使用范围更广？那是因为在商业中，价格往往是影响产品的重要因素之一。单片机的价格要远远低于FPGA，而且FPGA的价格根据性能和资源的不同，价格也存在很大差异，单枚FPGA芯片价格从几十元到几十万元不等。与之相比，单片机的价格要便宜很多，同样的功能我们如果可以用价格低廉的单片机实现就不会选择相对昂贵的FPGA了，除非单片机满足不了功能需求。所以公司自身开发为了节约成本可能会选择更加便宜的单片机，而不会选择选择相对较贵的FPGA，因为单片机、ARM这种微处理器的需求量很大，所以价格上更有优势。此外，FPGA的上手难度也比MCU要高。
但无论是单片机、ARM还是FPGA它们都只是一种帮助我们实现功能的工具，具体如何选择需要具体问题具体分析。总之没有万能的工具，只有符合生产需求的工具，通常来说ARM更适合串行控制，FPGA更适合并行控制，当然我们可以用FPGA搭建一个单片机系统，甚至是一个可以跑linux操作系统的核芯，更不要说现在最流行的ZYNQ已经内嵌了两个主频666MHz以上的ARM内核。当然，我们不要对某种工具存在着偏见，要综合的考虑，同样当你了解更多的时候，你会发现这些工具你最终都需要掌握，在合适的项目中使用合适的工具。
相信有人在翻看各大平台教程时，不禁会产生一些疑问，大部分教程涉及的的诸多例程不就是单片机、ARM的那一套吗，也没发现FPGA能强大到哪里。其实大部分教程只是带你掌握FPGA的基本设计方法，更准确一点说是一个FPGA的入门教程，FPGA有很多特殊的应用领域，而这些领域就不像是点亮一个小灯、驱动个数码管、搞个LCD显示、传输串口数据这么简单了。
FPGA的应用场景远没有单片机和ARM这么多，主要针对单片机和ARM无法解决的问题。比如要求灵活高效、高吞吐量、低批量延时、快速并行运算、可重构、可重复编程、可实现定制性能和定制功耗的情况，这些工作只能FPGA胜任。
而相对于专门目的而设计的集成电路（Application Specific Integrated Circuit，ASIC），FPGA具有3点优势：
灵活性：通过对 FPGA 编程，FPGA 能够执行 ASIC 能够执行的任何逻辑功能。FPGA 的独特优势在于其灵活性，即随时可以改变芯片功能，在技术还未成熟的阶段，这种特性能够降低产品的成本与风险，在 5G 初期这种特性尤为重要。
上市时间：由于 FPGA 买来编程后既可直接使用，FPGA 方案无需等待三个月至一年的芯片流片周期，为企业争取了产品上市时间。
成本：FPGA 与 ASIC 主要区别在 ASIC 方案有固定成本而 FPGA 方案几乎没有，在使用量小的时候，FPGA 方案由于无需支付一次性百万美元的流片成本，同时也不用承担流片失败风险，FPGA 方案的成本低于 ASIC，随着使用量的增加，FPGA 方案在成本上的优势逐渐缩小，超过某一使用量后，ASIC 方案由于大量流片产生了规模经济，在成本上更有优势。
因此在FPGA通常在数字信号处理、视频处理、图像处理、5G通信领域、医疗领域、工业控制、云服务、加速计算、人工智能、数据中心、自动驾驶、芯片验证等领域发挥着不可替代的作用。只有掌握了通用的FPGA设计方法，才能够在FPGA独领风骚的领域中大展宏图。
FPGA是介于软硬件之间的一朵奇葩。你用它做接口、做通信，他就偏向硬件；你用它做算法、做控制，他就偏向软件。而且随着人工智能、机器视觉的崛起，FPGA更加偏向软件算法的异构，有和GPU一争高下的潜力。
FPGA软件方向：以软件开发为主，开发FPGA在数据分析、人工智能、机器视觉等领域的加速应用能力，主要采用OpenCL和HLS技术实现软硬件协同开发。
FPGA硬件方向：以逻辑设计为主，针对FPGA特定领域的应用设计和集成电路设计，以及芯片验证能力。
FPGA 最初的应用领域是通信领域，但是随着信息产业和微电子技术的发展，FPGA 技术已经成为信息产业最热门的技术之一，应用范围扩大，遍及航空航天、汽车、医疗、广播、测试测量、消费电子、工业控制等热门领域，而且随着工艺的发展和技术的进步，从各个角度开始渗透到生活当中。下面我们主要简单列举目前FPGA应用比较广泛的几个领域，只有清楚了这些应用领域，对我们来讲才有更多的发展空间。
通信方向：通信领域是 FPGA 应用的传统领域，发展至今依然是 FPGA 应用和研究热点。我们这里将通信领域分成有线通信领域和无线通信领域分别介绍。FPGA和其他ASIC芯片最大不同在于它的可编程特性。FPGA在通信领域几乎是万能的，FPGA能做什么，很大程度上取决于用户的设计能力。
有线领域：从广域网和城域网到移动回程接入网和基于xPON 的接入网，FPGA都可提供全套的解决方案进行产品的快速开发。如目前的MSTP产品，从PDH到SDH，从EoP到EoS，所有的功能都可用FPGA实现； 如PTN产品，其OAM、QoS、PTP、以太网协议转换等；再如OTN产品，从ODU到OTU、以及SAR、Interlaken、Fabric等。以及目前接入的主流技术XPON产品，都可以用FPGA实现功能。
无线领域：由于FPGA自身嵌入了处理器，其使其应用更加的广泛，具体应用领域如：实现语音合成，纠错编码，基带调制解调，以及系统控制等功能；实现基带调制解调功能；定时恢复、自动增益和频率控制、符号检测、脉冲整形、以及匹配滤波器等。但由于无线领域需要大量的复杂数学运算，对FPGA的要求非常高。
视频图像处理方向：视频图像处理至始至终都是多媒体领域最热门的技术，特别在不断追逐更高清、更真实图像的欲望驱使下，视频图像的处理数据量越来越大。用FPGA做图像处理最关键的一点优势就是：FPGA能进行实时流水线运算，能达到最高的实时性。因此在一些对实时性要求非常高的应用领域，做图像处理基本只能用FPGA。例如在一些分选设备中图像处理基本上用的都是FPGA，因为在其中相机从看到物料图像到给出执行指令之间的延时大概只有几毫秒，这就要求图像处理速度极快且延时固定，只有FPGA进行的实时流水线运算才能满足这一要求。如今嵌入式视觉的概念很宽，包括图像处理(ISP)，视频处理，视频分析等，这些功能都能在FPGA上面实现。在ISP方面，比如降噪、宽动态、去雾，3A等；在视频处理方面，比如缩放、去隔行、全景拼接、鱼眼矫正等；在视频分析方面，包括边缘，形状，纹理提取，物体检测、分类、背景建模等。产品例子包括全景相机、4K智能相机、高清微投、大屏显示等。
数字信号处理方向：无线通信、软件无线电、高清影像编辑和处理等领域，对信号处理所需要的计算量提出了极高的要求。传统的解决方案一般是采用多片DSP并联构成多处理器系统来满足需求。但是多处理器系统带来的主要问题是设计复杂度和系统功耗都大幅度提升，系统稳定性受到影响。FPGA支持并行计算，而且密度和性能都在不断提高，已经可以在很多领域替代传统的多DSP解决方案。例如，实现高清视频编码算法H.264。采用TI公司1GHz主频的DSP芯片需要4颗芯片，而采用Altera的StrtixII EP2S130芯片只需要一颗就可以完成相同的任务。FPGA的实现流程和ASIC芯片的前端设计相似，有利于导入芯片的后端设计。
高速接口方向：FPGA可以用来做高速信号处理，一般如果AD采样率高，数据速率高，这时就需要FPGA对数据进行处理，比如对数据进行抽取滤波，降低数据速率，使信号容易处理，传输，存储。在实际的产品设计中，很多情况下需要与PC机进行数据通信。比如，将采集到的数据送给PC机处理，或者将处理后的结果传给PC机进行显示等。PC机与外部系统通信的接口比较丰富，如ISA、PCI、PCI Express、PS/2、USB等。传统的设计中往往需要专用的接口芯片，比如PCI接口芯片。如果需要的接口比较多，就需要较多的外围芯片，体积、功耗都比较大。采用FPGA的方案后，接口逻辑都可以在FPGA内部来实现了，大大简化了外围电路的设计。在现代电子产品设计中，存储器得到了广泛的应用，例如SDRAM、SRAM、Flash等。这些存储器都有各自的特点和用途，合理地选择储存器类型可以实现产品的最佳性价比。由于FPGA的功能可以完全自己设计，因此可以实现各种存储接口的控制器。
人工智能机器学习方向：近年来FPGA在人工智能机器学习中的应用越来越广泛，主要集中在前端和边缘侧。具体来讲，在ADAS/自动驾驶上可以实现车辆、行人、车道、交通标志以及可行驶区域检测，可以做传感器融合；在智能安防上，可以实现车辆、车型、车牌、交通违规、车流量、人流量、人脸等检测；在无人机上，可以实现自动避障、自动跟随等功能；在医疗影像设备上，可以进行医疗图像的分析，帮助医生判断是不是可能有癌症或异常；在机器人上，可以实现增强学习，让机器人学习新的技能。
IC原型验证：FPGA在数字IC领域中是必不可少的，已经被用于验证相对成熟的RTL，因为相比用仿真器，或者加速器等来跑仿真，FPGA的运行速度，更接近真实芯片，可以配合软件开发者来进行底层软件的开发。在纯硬件方面，由于FPGA供应商尽快转向最先进的制造工艺节点，FPGA原型设计变得更加简单和强大。
FPGA验证在代码设计完成，功能验证以后。目的是保证设计的功能可以在FPGA上实现，也就是做硬件仿真。这样能进一步保证在FPGA上验证的结果和流片的结果相同，当然最后还牵涉到后端设计和工艺。如果做的IC比较大，就需要裁减原来IC的功能再进行FPGA验证了。最终的目的也是为了保证芯片设计符合要求，顺利流片。可以看到在芯片制造出来之前，很多精力会花费在RTL代码验证工作上，另外软件的相关开发工作，也会在得到芯片前开始，这两方面都需要借助FPGA原形来模拟芯片的行为，帮助硬件开发和软件开发者，共同提升工作效率。