FPGA 的工作原理以及与其他芯片的区别

FPGA 凭借其独特的制造后可重新配置的能力，彻底改变了现代电子和计算领域。 这些设备在工业、个人和研究项目中的应用日益广泛，使工程师和开发人员能够创建定制硬件来解决特定问题、加速流程或确保通信安全。如果您想知道 FPGA 究竟是什么、它如何工作，以及在哪些情况下它能够与其他芯片区分开来，那么本指南将为您详细介绍所有您需要了解的内容。

在定制计算的蓬勃发展中，FPGA 因其灵活性、强大功能以及并行数据处理的效率而脱颖而出。 虽然它们曾经仅限于工业应用，但如今，它们的易用性、学习能力以及与关键系统的集成，使其成为网络安全、汽车、数据中心和人工智能开发等众多领域的关键参与者。探索这些芯片的所有关键点，了解它们与其他处理器的区别、如何对它们进行编程，以及它们在当今技术中扮演的角色。

什么是 FPGA？

FPGA（现场可编程门阵列）是一种集成电路，用户可以在制造后对其进行配置，以执行特定的数字处理任务。 这使得它有别于大多数集成电路，例如处理器（CPU）、微控制器或ASIC（专用集成电路），它们一旦出厂就具有固定且不可变的架构。

FPGA 的关键方面是其可重新编程性： 它们可以根据需要随时进行调整和更新，以应对不同的任务，从而在设计和功能上实现极大的灵活性。这使得它们在硬件原型、快速发展的行业或需求频繁变化的应用中尤其有用。

FPGA 的工作原理以及与其他芯片的区别

FPGA 由以下部分组成 可编程逻辑块（CLB）阵列、可编程互连网络 y 输入/输出块（IOB）这些组件协同工作，允许用户通过称为比特流的配置文件定义芯片的内部逻辑架构及其元件之间的连接，使其适应任何给定时间所需的功能。

FPGA 的架构与其他芯片的架构截然不同： FPGA 并不具有固定的功能，而是可以通过编程转换成几乎任何适合其资源的数字电路。

FPGA的历史和演变

FPGA的起源可以追溯到1984年，当时Xilinx公司的联合创始人Ross Freeman和Bernard Von Der Schmitt提出了这一革命性的概念。 最初，FPGA 代表了 PROM 和 PAL 等旧可编程逻辑设备的质的飞跃，增加了灵活性和解决更复杂问题的能力。

在过去的几十年里， FPGA 在尺寸、功率、速度和能源效率方面都有了发展从包含数千个逻辑门到数百万个逻辑门，并允许构建越来越先进的系统 - 甚至是完整的 SoC（片上系统），结合可重构逻辑和嵌入式处理器。

比较：FPGA 与 CPU、ASIC 和 CPLD特点中央处理器FPGAASIC

灵活性

高（通用）

非常高（可重构硬件）

低（固定硬件）

并行性

有限

非常高（并发进程）

很高

发展时间

快速（无需等待制造）

速度慢（需要定制制造）

每单位成本

低（量产）

中等至高

非常低（音量高）

能源效率

媒体

媒体

很高

FPGA 介于 CPU 的灵活性和 ASIC 的效率之间。当您需要在整个产品生命周期内快速调整硬件、并行处理数据或修改功能时，它们提供了一种折衷的解决方案。

FPGA 的优点和缺点

但它们也有缺点，例如：

FPGA的内部架构

FPGA 的核心由逻辑块、互连网络和输入/输出块组成：

这些资源的组合允许为每个应用程序设计量身定制的解决方案，从简单的控制器到嵌入式人工智能系统。

如何使用 FPGA 进行编程和开发？

开发 FPGA 系统涉及的方法与传统软件编程不同。 我们不再编写 CPU 执行的指令，而是直接使用硬件描述语言（HDL）来描述所需的硬件：

典型流程包括：

用 HDL 编写设计代码 （或使用图形工具）。合成： 将代码转换为逻辑连接列表（网络表）。布局和布线： 软件决定如何映射逻辑块以及如何在内部连接它们。比特流生成： 创建配置文件并将其加载到 FPGA 中以对其进行编程。

最强大的优势之一是现场重新编程： 您可以更新 FPGA 的功能、修复错误或使其适应新标准，而无需更改物理硬件。

根据存储器技术划分的 FPGA 类型高级功能：重新配置和 3D 架构

现代 FPGA 具有两项出色的功能：

FPGA 的实际应用

FPGA 的多功能性和强大功能使其成为众多领域的基础部件：

FPGA 的主要挑战

尽管它具有很大的优势，但并非一切都很容易。 学习曲线很重要 由于硬件描述与传统编程有很大不同，它需要电子、数字逻辑和HDL语言的知识。此外， 初始开发成本可能是一个障碍 如果您没有以前的经验或足够的工具。

功耗有时仍然高于专用解决方案，例如 ASIC， 但近年来的趋势表明，根据制造商和型号的不同，效率有显著的降低和提高。

FPGA 中的安全性

La 硬件安全日益受到关注 现代 FPGA 已融入先进的机制：

FPGA市场的主要品牌和参与者免费的 FPGA 开发工具和资源

要使用 FPGA，有各种各样的工具，包括商业和开源的：

ROM 存储器：设备启动和运行的关键

开发和实验板：如何学习 FPGA

如果您想亲自体验这项技术，有许多针对不同级别和需求的平台：

FPGA 社区每天都在不断发展，有大量的论坛、工作组和教程可以指导您从头开始了解这个令人兴奋的领域。

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