與典型的微控制器相比，現場可程式設計門陣列fpga是一種能夠提供更強效能和靈活性的器件，本文通過解答幾個有關fpga的常見問題——什麼是fpga、為什麼我會需要fpga、如何為fpga程式設計——為開發者提供fpga入門所需的基本概念和知識。
如果您是二元思維的人，那麼不要錯過第1到4部分內容。在這篇部落格中，我將簡單介紹我最感興趣的電子器件：現場可程式設計門陣列(fpga)。
當我和人們談起fpga時，我聽到很多人說：「我不知道它們的工作原理」、「它們太複雜了」、「我無法用c語言程式設計」。我不希望看到這樣一種神奇的器件遭受如此冷遇，因此下面我將嘗試解答一些常見問題（faq）。
問題1：什麼是現場可程式設計門陣列？
詳細解答如下：顧名思義，有人推斷它是可程式設計的邏輯門結構。這種解釋很接近，但又不太準確，因為內部邏輯陣列實際並不是利用門來實現的。相反，我們將陣列中的這些塊稱為「邏輯單元」。這些邏輯單元通常由查詢表 (lut)（用於實現任意邏輯功能）以及一些輔助電路（例如多路復用器、加法器和觸發器）構成。您會經常聽到人們將這種邏輯單元陣列稱為「fpga結構」。
圖1，fpga 邏輯單元示例
簡而言之，我可以將fpga比作乙個盒子，裡面裝有各種沒有商標、用於構建數位電路的彩色構件。我可以通過適合我的應用的任何方式，將這些構件連線到一起。
如果您能描述數位電路如何工作，就能用足夠的邏輯單元在fpga內構建該電路。需要25個pwm輸出？沒問題。需要特殊通訊協議？對某些硬體進行程式設計來處理該協議。
問題2：為什麼我會需要fpga？
fpga可用於實現數字系統，但簡單的微控制器通常也能夠達到同樣的效果。微控制器**低廉，而且易於放置在印刷電路板上。雖然fpga是一種功能強大的工具，但未必適合所有情況。它們有更多的功耗、布局和外部電路要求，甚至可能非常苛刻。使用成本高昂且具有諸多特殊要求的fpga似乎有些不合時宜。
但您也許已經猜到了需要fpga的原因：靈活性。您擁有可配置的邏輯塊，就意味著不再受到硬體的制約。您不會再遇到定時器或uart不夠用的情況，只要您擁有邏輯單元便可建立更多定時器或uart。它能夠隨著技術和要求的變化，在今後進行重新配置，從而延長產品的生命週期。
第二個原因是速度。微控制器只能按順序一次執行一條指令。由於硬體特性，fpga結構本身是並行的。因此它能同時執行多個指令，這對於fft或圖形處理等操作非常有用，因為在按順序執行的處理器上，這些操作可能產生很高的成本。與lvds等典型微控制器相比，fpga還提供了更多高速i/o選項，收發器能夠以10+gbps的速度處理hdmi等協議。
問題3：如何為fpga程式設計？
fpga採用一種名為hdl（即硬體描述語言）的特殊語言。它主要包含兩種語言：verilog和vhdl。幾乎所有開發套件（例如quartus或vivado）都支援這兩種語言，所以選擇哪種語言只是偏好問題。
然後對這兩種語言進行「合成」，這類似於微控制器的編譯。合成工具告訴fpga如何連線其邏輯單元，以產生**所描述的效果。請記住，**被轉換為硬體指令而非cpu指令，在您開始使用時，務必牢記這一點。
為了簡化開發，fpga**商提供了常用**塊目錄，供您輕鬆置入到設計中。其中包括倍頻器、ram和通訊塊等。您可對它們進行配置並新增到設計中，而無需檢視涉及的hdl**，從而加快開發速度。
圖2，顯示來自 xilinx 目錄和 hls 的 ip 塊的部分框圖
有些**商還提供高階別合成(hls) 工具，能夠將使用c或c++語言編寫的功能轉換為hdl**塊。使用這些工具，可以通過抽除一些低級別細節，顯著減少具有軟體背景的開發人員的入門障礙。
仍然不太相信？我最喜歡的fpga功能之一是它能夠使用軟處理器。軟處理器是從fpga的邏輯單元構建的完整處理器。利用軟處理器，您能夠為處理器構建定製的輔助硬體，並使用c語言編寫應用程式。您可在短短幾分鐘內完成簡單的軟處理器系統設定和程式設計。如果您仍然需要傳統處理器，可考慮在單一封裝中包含fpga和硬arm處理器的soc。
總而言之，與典型的微控制器相比，fpga的成本更高，使用難度更大，但如果您需要，它們能夠提供更強的效能和靈活性。隨著技術的改進，整合度的提高，fpga的成本變得更低，它們甚至能夠取代傳統的微控制器。
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