Digital-electronics 简明教程

Field Programmable Gate Arrays (FPGAs)

What is a Field-Programmable Gate Array

现场可编程门阵列 (FPGA) 是一种可编程逻辑器件 (PLD)，提供高度的灵活性，可用于在单芯片上实现完整的数字系统。它包含一个可编程的相同逻辑单元阵列。通过编程这些逻辑单元或块，FPGA 可用于执行各种逻辑函数。此外，我们可以将它们互连以实现复杂的数字系统。

FPGA 还具有几个输入/输出 (I/O) 块，以在外部设备和 FPGA 的内部逻辑电路之间创建接口。它们还包含一个存储元件，用于存储指定逻辑单元和可编程互连操作行为的程序。

为了对 FPGA 进行编程，有多种可用的硬件描述语言 (HDL)，例如 Verilog 或 VHDL。这些编程语言用于定义数字系统的所需功能和行为。

일반적인 block diagram of an FPGA 如以下图表所示。

field programmable gate arrays 1

Components of FPGA

由以下主要部件组成：

  1. Configurable Logic Blocks (CLBs)

  2. I/O Blocks

  3. Programmable Interconnects

可配置逻辑块包含多路复用器、触发器和组合逻辑电路阵列。I/O 块提供用于连接外部设备和 FPGA 的引脚。可编程互连基本上是开关矩阵结构，提供 FPGA 内 CLB 和 I/O 块之间的互连。

当然！将 FPGA 分类为低端、中档和高端类别是基于它们的性能、复杂性、门密度和功耗。让我们深入探究每个类别：

Types of FPGAs

根据应用，FPGA 可分类为以下主要类型：

  1. Low-End FPGAs

  2. Mid-Range FPGAs

  3. High-End FPGAs

现在让我们详细讨论这些不同类型的 FPGA。

Low-End FPGAs

低端 FPGA 主要设计为比中端和高端 FPGA 功耗最低。因此，它们非常适合在电池供电装置和关键在于能效的其他应用中使用。

在低端 FPGA 中，使用的逻辑门数量较少，因此它们用于实现复杂逻辑系统所使用的资源较少。此外，这些 FPGA 的架构也较为简单。低端 FPGA 的一些常见应用包括简单的控制系统、基本信号处理系统和低成本消费电子产品。

Mid-Range FPGAs

中端 FPGA 比低端 FPGA 耗能更多，但比高端 FPGA 耗能更少。这主要是因为，与低端 FPGA 相比，中端 FPGA 含有更多数量的逻辑门。这反过来又增加了电路的整体复杂性。尽管如此，这些 FPGA 在性能和效率之间提供了平衡。

由于中端 FPGA 提供更多数量的资源，因此它们允许实现更复杂的数字电路。

这些 FPGA 用于各种应用，如数字信号处理、通信系统、嵌入式系统、工业自动化系统、电信设备、医疗设备等。

High-End FPGAs

高端 FPGA 的功耗高于低端和中端 FPGA。这是因为，它们使用更多数量的逻辑门，而且还具有更高的工作频率。尽管如此，这些 FPGA 在性能和处理效率方面应该是极其出色的。

由于有大量可用资源，高端 FPGA 可用于实现高度复杂的逻辑电路和系统。此外，它们提供最高级别的灵活性与性能。

高端 FPGA 用于一些常见应用，包括高速处理系统、实时数据分析系统、数据中心、高性能计算系统、航空航天和防御系统等。

Advantages of FPGAs

FPGA 比其他类型的可编程逻辑器件提供了多项优势。FPGA 的一些主要优势如下：

  1. FPGA 提供连续快速重新配置，因为它们可编程或重新编程，以实现不同的逻辑功能，以满足特定应用的需求，无需硬件更改或重新设计。

  2. FPGA 允许在更短的时间内开发数字系统。

  3. FPGA 具有更高的时钟速率。因此，它们可以更有效地执行复杂的算法和任务。

  4. FPGA 根据特定应用的需求量身定制和优化。

  5. FPGA 还具有并行处理功能。这些技术可以提高整体系统性能和吞吐量。

Disadvantages of FPGAs

上面列出了 FPGA 提供的几个优点，但它们也存在一定的缺点。以下是 FPGA 的主要缺点：

  1. FPGA 比其他可编程逻辑器件更 expensive 。

  2. FPGA 的实现和部署比其他可编程逻辑器件更 complex to design ，并且需要更多时间和硬件描述语言 (HDL) 和系统设计工具方面的专业知识。

  3. FPGA 比其他可编程逻辑器件更 susceptible to security threats 。

Applications of FPGAs

FPGA 被广泛用于多个行业的各种应用中。以下是 FPGA 的一些常见应用：

  1. FPGA 用于数字信号处理领域，以完成诸如音频视频信号处理、语音识别、图像处理等任务。

  2. FPGA 用于实现复杂算法和实时信号处理功能。

  3. FPGA 用于各种通信和网络设备，例如路由器、交换机、网络处理单元等。

  4. 在通信系统中，FPGA 用于实现协议处理算法、数据包处理算法、加密解密技术、错误检测和纠正机制等。

  5. FPGA 用于各种电子系统，例如嵌入式系统、工业自动化系统、汽车电子、消费类电子设备等。

  6. FPGA 用于执行高级处理任务，例如科学计算、数据分析、机器学习和人工智能任务。

  7. FPGA 也是各种医疗设备（例如 MRI（磁共振成像）、CT（计算机断层扫描）、超声系统、X 射线机等）的组成部分。

Conclusion

总之，FPGA 是可编程逻辑器件，用于以单一集成电路芯片的形式实现复杂数字系统。由于其高性能和计算能力，它们被广泛用于各个行业的各种应用中。