FPGA 的基本結(jié)構(gòu)精巧而復(fù)雜,由多個關(guān)鍵部分協(xié)同構(gòu)成。可編程邏輯單元(CLB)作為重要部分,由查找表(LUT)和觸發(fā)器組成。LUT 能夠?qū)崿F(xiàn)各種組合邏輯運算,如同一個靈活的邏輯運算器,根據(jù)輸入信號生成相應(yīng)的輸出結(jié)果。觸發(fā)器則用于存儲電路的狀態(tài)信息,確保時序邏輯的正確執(zhí)行。輸入輸出塊(IOB)負(fù)責(zé) FPGA 芯片與外部電路的連接,支持多種電氣標(biāo)準(zhǔn),能夠適配不同類型的外部設(shè)備,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效交互。塊隨機訪問存儲器模塊(BRAM)可用于存儲大量數(shù)據(jù),并支持高速讀寫操作,為數(shù)據(jù)處理提供了快速的數(shù)據(jù)存儲和讀取支持。時鐘管理模塊(CMM)則負(fù)責(zé)管理芯片內(nèi)部的時鐘信號,保障整個 FPGA 系統(tǒng)穩(wěn)定、高效地運行 。利用 FPGA 可實現(xiàn)復(fù)雜數(shù)字邏輯功能,在通信、工業(yè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。深圳國產(chǎn)FPGA模塊
相較于通用處理器,F(xiàn)PGA 在特定任務(wù)處理上有優(yōu)勢。通用處理器雖然功能可用,但在執(zhí)行任務(wù)時,往往需要通過軟件指令進(jìn)行順序執(zhí)行,面對一些對實時性和并行處理要求較高的任務(wù)時,性能會受到限制。而 FPGA 基于硬件邏輯實現(xiàn)功能,其硬件結(jié)構(gòu)可以同時處理多個任務(wù),具備高度的并行性。在數(shù)據(jù)處理任務(wù)中,F(xiàn)PGA 能夠通過數(shù)據(jù)并行和流水線并行等方式,將數(shù)據(jù)分成多個部分同時進(jìn)行處理,提高了處理速度。例如在信號處理領(lǐng)域,F(xiàn)PGA 可以實時處理高速數(shù)據(jù)流,快速完成濾波、調(diào)制等操作,而通用處理器在處理相同任務(wù)時可能會出現(xiàn)延遲,無法滿足實時性要求 。福建使用FPGA基礎(chǔ)隨著技術(shù)的發(fā)展,F(xiàn)PGA 開始被用于加速機器學(xué)習(xí)算法的推理過程,特別是在邊緣計算應(yīng)用中。
FPGA 在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用 - 自動化控制:工業(yè)控制領(lǐng)域?qū)崟r性和可靠性有著嚴(yán)苛的要求,F(xiàn)PGA 在自動化控制方面展現(xiàn)出了強大的優(yōu)勢。在工業(yè)自動化生產(chǎn)線上,F(xiàn)PGA 可用于可編程邏輯控制器(PLC)和機器人控制,如伺服電機控制。以西門子(Siemens)的工業(yè)自動化系統(tǒng)為例,其中的 FPGA 能夠?qū)崿F(xiàn)高速、精確的運動控制。它可以根據(jù)預(yù)設(shè)的程序和傳感器反饋的信號,快速地計算出電機的控制參數(shù),實現(xiàn)電機的精細(xì)定位和速度調(diào)節(jié)。在復(fù)雜的自動化生產(chǎn)線中,多個 FPGA 協(xié)同工作,能夠?qū)崿F(xiàn)對各種設(shè)備的協(xié)調(diào)控制,確保生產(chǎn)過程的高效、穩(wěn)定運行,提高工業(yè)生產(chǎn)的自動化水平和生產(chǎn)效率。
FPGA 在高性能計算領(lǐng)域也有著獨特的應(yīng)用場景。在一些對計算速度和并行處理能力要求極高的科學(xué)計算任務(wù)中,如氣象模擬、分子動力學(xué)模擬等,傳統(tǒng)的計算架構(gòu)可能無法滿足需求。FPGA 的并行計算能力使其能夠?qū)?fù)雜的計算任務(wù)分解為多個子任務(wù),同時進(jìn)行處理。在矩陣運算中,F(xiàn)PGA 可以通過硬件邏輯實現(xiàn)高效的矩陣乘法和加法運算,提高計算速度。與通用 CPU 和 GPU 相比,F(xiàn)PGA 在某些特定算法的計算上能夠?qū)崿F(xiàn)更高的能效比,即在消耗較少功率的情況下完成更多的計算任務(wù)。在數(shù)據(jù)存儲和處理系統(tǒng)中,F(xiàn)PGA 可用于加速數(shù)據(jù)的讀取、寫入和分析過程,提升整個系統(tǒng)的性能,為高性能計算提供有力支持 。利用 FPGA 的可編程性,可快速實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計。
FPGA 的發(fā)展歷程 - 發(fā)明階段:FPGA 的發(fā)展可追溯到 20 世紀(jì) 80 年代初,在 1984 - 1992 年的發(fā)明階段,1985 年賽靈思公司(Xilinx)推出 FPGA 器件 XC2064,這款器件具有開創(chuàng)性意義,卻面臨諸多難題。它包含 64 個邏輯模塊,每個模塊由兩個 3 輸入查找表和一個寄存器組成,容量較小。但其晶片尺寸非常大,甚至超過當(dāng)時的微處理器,并且采用的工藝技術(shù)制造難度大。該器件有 64 個觸發(fā)器,成本卻高達(dá)數(shù)百美元。由于產(chǎn)量對大晶片呈超線性關(guān)系,晶片尺寸增加 5% 成本便會翻倍,這使得初期賽靈思面臨無產(chǎn)品可賣的困境,但它的出現(xiàn)開啟了 FPGA 發(fā)展的大門。FPGA硬件設(shè)計包括FPGA芯片電路、 存儲器、輸入輸出接口電路以及其他設(shè)備。河南專注FPGA芯片
利用 FPGA 的靈活性,可快速響應(yīng)市場需求。深圳國產(chǎn)FPGA模塊
FPGA 的配置方式多種多樣,為其在不同應(yīng)用場景中的使用提供了便利。多數(shù) FPGA 基于 SRAM(靜態(tài)隨機存取存儲器)進(jìn)行配置,這種方式具有靈活性高的特點。當(dāng) FPGA 上電時,配置數(shù)據(jù)從外部存儲設(shè)備(如片上非易失性存儲器、外部存儲器或配置設(shè)備)加載到 SRAM 中,從而決定了 FPGA 的邏輯功能和互連方式。這種可隨時重新加載配置數(shù)據(jù)的特性,使得 FPGA 在運行過程中能夠根據(jù)不同的任務(wù)需求進(jìn)行動態(tài)重構(gòu)。一些 FPGA 還支持 JTAG(聯(lián)合測試行動小組)接口配置方式,通過該接口,工程師可以方便地對 FPGA 進(jìn)行編程和調(diào)試,實時監(jiān)測和修改 FPGA 的配置狀態(tài),提高開發(fā)效率 。深圳國產(chǎn)FPGA模塊