时间：2026-02-18 来源：FPGA_UCY 关于我们 0
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一.单片机和FPGA的区别
单片机又称单片微控制器（Single-chip MCU）,它其实就是集成在1个硅片上的计算机系统。现在市场上主流的单片机基本都使用的是ARM核，51单片机基本上已经退出历史舞台了，只有在一些特定场合还有使用。严格来说，单片机是没有I/O设备的，这也是它和计算机最大的区别。然而，我们常说的单片机往往指的是单片机开发板，这种开发板不仅包含单片机，还包含厂商开发设计的外围电路和各种外设。最常见的ARM单片机是STM32系列，它的内核是Cortex-M3/M4，外设则包含LED灯、蜂鸣器、LCD显示屏、摄像头、片上内存和各种IO口等。图1给出的是正点原子的STM32F1开发板，最中间的那个黑色的、上面写着ARM三个字母的芯片就是STM32F1芯片（即单片机），只占板子的很小一部分，芯片周围则是外围电路和外设。一般来说，我们买到的STM32开发板往往就自带有LED灯、蜂鸣器等外设，而摄像头、LCD显示屏则需要额外购买，厂商只在开发板上预留相应的接口。
图1正点原子STM32F1开发板
那么，FPGA又是什么呢？FPGA英文全称为Field Programmable Gate Array，它的中文名是现场可编程逻辑门阵列。FPGA主要是由可编程逻辑阵列和各种外设组成的，它是一种半定制电路。通过使用quartus或vivado这些开发软件编写verilog或VHDL程序，我们可以实现并综合出各式各样的数字电路，并可以把电路“烧”进FPGA器件，完成电路在物理层面上的实现。FPGA是可以进行无限次“擦写”的，只有逻辑资源足够，FPGA理论上可以实现所有的数字电路，哪怕是CPU这样复杂的超大型电路。然而，FPGA的逻辑资源往往是很匮乏的，哪怕是在今天，也难以完成大规模的浮点运算。而且，由于FPGA的基本单元使用的是可配置逻辑单元，工艺制程往往会受到限制，总会比ASIC落后好几代，并且工作频率也一直达不到CPU早已标配的GHz。
图2 Altera DE2-115开发板
FPGA最大的优点是它的并行度高，我们可以在FPGA上设计并实现N维的并行流水线，在时钟的驱动下，这些流水线可以同时进行工作，能极大地减小运算时间和提高运算效率。对于单片机而言，单片机的主体其实就是CPU，而CPU执行运算是串行的。在进行一次运算时，一般是先由CPU向运算单元发送指令，然后运算器进行运算并给出结果，接着CPU接收到计算结果并进行暂存，再进行下一次运算。此外，对于CPU而言，芯片大部分面积是控制逻辑单元，只有很少一部分是运算单元。因此，在执行高密集度运算时，CPU是难以胜任的。但是，CPU所擅长的逻辑控制，却正是FPGA所欠缺的。由于FPGA所有功能均依靠硬件实现（这里指传统的FPGA），完全不使用软件，甚至无法实现分支条件跳转等操作。
二.CPU和FPGA的结合
从上面的分析可以看到，CPU长于控制，而FPGA则擅长运算。因此，很快就有人想到了在FPGA开发里引入CPU来进行逻辑控制，以弥补FPGA的缺陷。最开始，这种“联姻”是由FPGA开发商主导的，Altera最早提出了SOPC（System On a Programmable Chip，可编程片上系统）技术，这种技术使用FPGA的逻辑和资源搭建的一个软核CPU系统，后来Xilinx也进行了跟进。Altera主推的软核是Nios-II，而Xilinx主推的软核则是MicroBlaze。老实说，这些软核的效率并不高，而且它们都有自己的一套开发环境和开发流程，实际使用起来其实非常麻烦，而且应用场景也不多。因此，这些软核并没有在FPGA开发中引起什么变革，长期处于厂商力推，而市场却不温不火的状态。
然而，时代总是在前进的，随着无人驾驶、大数据分析、物联网、人工智能等行业的发展，嵌入式平台的应用范围得到了极大的扩展，但这些应用场景对算力提出了新的要求，单片机这种传统的嵌入式平台的算力就显得捉襟见肘。Xilinx开始意识到，与其自己开发软核，来为FPGA打辅助；不如反过来让FPGA给CPU打辅助，直接在FPGA集成ARM的Cortex-A系列处理器。这样，FPGA就实际意义上成了CPU的外设，专门用于计算，除此之外的所有事，都由强大的Cortex-A系列处理器来完成。在2010年4月硅谷举行的嵌入式系统大会上，Xilinx发布了ZYNQ 7000系列FPGA，它由双核A9+Xilinx 7系列FPGA组成。严格意义上，它其实不算是FPGA，更像是嵌入式开发平台。然而，它又和传统的嵌入式开发平台不一样，它又需要使用FPGA搭建定制电路，这就需要开发者掌握较高的硬件开发能力。这款产品推出时，受到了很大的质疑，很多人都觉得它实用性并不会太高，只是Xilinx推出的一个实验性产品。
图3 ZYNQ7000开发板
但是，ZYNQ却取得了巨大的成功，成为了Xilinx最著名的FPGA开发板系列之一。Xilinx的判断是正确的，在随后的10年内，解决嵌入式平台的算力瓶颈成为了行业发展的主流方向。就拿人工智能来说，在ZYNQ推出后，很多大学研究小组用它完成了卷积神经网络在FPGA平台上的部署，实现了对卷积神经网络的硬件加速。FPGA平台相对于GPU有更低的功耗，相比于ASIC有可编程性，使得对FPGA加速器的研究一度成为人工智能领域的热门方向。当然，这时的FPGA不是传统的FPGA了，而是CPU+FPGA。这种模式也被Altera迅速跟进，它们也推出了双核A9+Altera FPGA的开发平台，比如DE1-SoC等。严格来说，Cortex-A9处理器不是单片机（即微控制器，MCU），而是微处理器（MPU），但是它们都是CPU。因此，在上文中，我们并没有说单片机和FPGA进行“联姻”，而是直接说的是CPU和FPGA进行联姻，这主要是为了保证文章的“严谨性”。在这一时期，虽然两者的“联姻”主要还是由FPGA开发商推动的，但FPGA却成为了CPU的一个大型外设，由主角变为了配角。
三.ARM DesignStart计划的推出
在PC时代，英特尔+Windows组成的“Wintel联盟”长期处于绝对的统治地位，在这一时期ARM的存在感其实很低。但是，随着智能手机、智能导航仪等移动端平台的发展，ARM开始成长为移动市场的行业巨头。关于ARM为何能在移动端击败英特尔，有很多种不同的说法，但主要原因总结起来有3点。第一，英特尔低估了移动端的发展潜力，没有及时进场。第二，ARM处理器采用的是RSIC指令集，而英特尔采用的是CSIC指令集，虽然CSIC指令集性能更占优，但功耗往往会非常高，因此不适用于移动端产品；而RSIC指令能做到低功耗，这在移动端是绝对的优势。第三，ARM采用IP授权的商业模式，和谷歌、苹果、高通、三星等公司形成了联盟，组建起了以ARM为核心的生态圈。总的来说，ARM的崛起主要还是由于移动端市场的发展，因此ARM注定不会漠视在物联网时代会大放异彩的嵌入式平台。
