FPGA 和可编程逻辑简介

该视频是关于 FPGA 和可编程逻辑技术的介绍性演示。我于 2019 年 11 月 19 日在泰国曼谷由 7 Peaks Software 主办的一次活动中发表了这个 45 分钟的演讲。

演讲的亮点包括：

• 05:07 谁在使用 FPGA？
• 09:06 什么是 FPGA？
• 12:13 如何使用静态 RAM 模拟逻辑门
• 17:47 通用 FPGA 原语
• 19:51 最便宜和最昂贵的 FPGA
• 20:53 FPGA 平面图
• 24:30 VHDL
• 28:05 综合和布局布线
• 30:50 软核
• 33:15 混合 FPGA/CPU (Zynq-7000)
• 36:44 FPGA 的优缺点
• 40:28 包含 FPGA 的产品示例
• 45:18 来自 VHDLwhiz.com 的免费学习资源

谁使用 FPGA？

FPGA技术有广泛的应用。从太空中的卫星到华尔街的交易机器人等产品都使用可编程逻辑。以下是一些已知大量使用 FPGA 的行业。

防御

国防工业处于从定制 FPGA 实施中受益的绝佳位置。他们有很多钱，对质量有很高的要求。他们产品的规格列表通常是极端的，因为军用级设备是远高于消费级和工业级的可靠工程层。他们的预算总是很高，有时甚至几乎是无限的，来自政府支持等稳定来源。

以上都是 FPGA 大量用于国防应用的原因。不仅用于武器，还用于无线电通信设备和测试设备等。我在这个行业工作过。您可以在此处详细了解我作为国防行业的 FPGA 工程师的经历。

空格

FPGA 广泛用于整个航天工业。它们非常适合卫星的原因有很多。它们本质上是低功耗的，可以进行抗辐射，并且比在 CPU 或微控制器上运行的软件更容易验证 FPGA 的正确性。

太空中的许​​多电子设计用于接口控制、传感器数据读取、信号处理或控制系统等非常适合 FPGA 的任务。此外，空间应用的可靠性要求通常与航空航天工业的标准相同。

航空航天

航空航天业喜欢 FPGA 的原因与航天工业有很多相同的原因，但最重要的是，FPGA 的正确性比软件更容易验证。

证明计算机程序没有意外后果既困难又耗时。机载系统的国际标准要求飞机上使用的电子设备必须遵循严格的验证要求。

虽然软件必须遵循 DO-178C 航空标准，但 FPGA 属于机载电子硬件的 DO-254 设计保证指南。在大多数情况下，满足硬件标准的要求比满足相应的软件实现更容易、更便宜。

汽车

汽车制造商将 FPGA 用于卡车柴油发动机的电机控制，以及自动驾驶系统。您甚至可以在现代汽车中找到 FPGA 加速通信和娱乐系统。

此外，电动和混合动力汽车可能会使用 FPGA 来完成电机控制任务。三相感应电机需要在电机旋转时对磁场进行严格的时序控制。任何不准确都会导致电源效率的损失。

电信

电信基础设施使用了大量的 FPGA 技术。如前所述，FPGA 是通信卫星等空间应用的标准配置。 FPGA 在电信行业的其他用途包括网络路由器和无线基站。

对于手机等消费类电信设备，FPGA 并不常见。对于手机中的定制解决方案，您更有可能看到 ASIC 而不是 FPGA。尽管 ASIC 生产的初始成本比 FPGA 高很多，但由于手机销量高，它们仍然是经济的。

数据中心

四大科技公司都开发了用于其数据中心的定制 FPGA 解决方案。 FPGA 对于他们能够以如此低的延迟处理如此大量的数据至关重要。

很难找到他们用 FPGA 解决了什么样的问题的详细信息。尽管如此，从工作列表等间接证据来看，很明显他们严重依赖 FPGA。 Amazon AWS、Microsoft Azure、Google 和 Facebook 等服务在一定程度上都是由 FPGA 实现的。

高频交易

算法高频股票市场交易 (HFT) 就是比竞争对手更快地处理数字。从事这些活动的公司会竭尽全力降低其处理管道的延迟。

他们的服务器位于靠近证券交易所的位置，并且他们投资于金钱可以买到的最快的计算机硬件。当比赛使用 CPU 和 GPU 时，您会转向 FPGA。然后他们可以稍微更快地对传入的市场数据进行统计分析并赚更多的钱。

加密货币挖矿

过去几年，FPGA 在主流 IT 社区中经历了一次复兴。因为比特币的炒作，现在很多普通人都听说过FPGA。

加密货币挖矿的经济学就是管理电费。硬币的价值必须高于你为开采它所支付的电费才能盈利。

定制 FPGA 解决方案通常比在 CPU 甚至 GPU 上运行的算法更节能。过去几年涌现了许多众筹的 FPGA 矿工板。

包含 FPGA 的产品示例

FPGA 在消费电子产品中并不常见。尽管如此，仍然有很多这样的例子。下面介绍一些您可能听说过的包含 FPGA 的产品。

HTC 万岁

从拆解中我们可以看出，这款 VR 头显使用了三个 Lattice FPGA。目前尚不清楚 FPGA 在此设计中的用途。

然而，这些都是相对低容量的设备，所以一个很好的猜测是它是用于控制接口或读取传感器，而不是图像处理。

谷歌 Waymo

谷歌的自动驾驶汽车基于 FPGA 技术运行。该项目仍处于开发阶段，FPGA 非常适合进行原型设计。

引用的文章指出，他们使用 FPGA 进行“传感器处理”，这可能是汽车拥有的 LiDAR 系统。

iPhone 7

在手机中找到 FPGA 并不常见。由于手机的大批量生产，ASIC 通常更经济。尽管如此，iPhone 7 还是使用了 FPGA。

链接的文章表明它可能适用于一些新的人工智能 (AI) 功能。也许苹果还没有完成这个特定的硬件，需要能够将无线 (OTA) 硬件更新推送到这个芯片。这是对 FPGA 的创新使用。

苹果加力

Apple 的高端图形加速卡可以同时实时渲染多达 3 个 8k ProRes RAM 视频流。

有趣的是，它使用 FPGA 来执行繁重的工作。图像处理是 FPGA 做得非常好的事情。也许他们需要创建一个自定义解决方案，因为 GPU 无法足够快地处理 8k 视频。

英伟达 G-Sync

Nvidia G-Sync 卡将显卡的输出同步到屏幕的刷新率。如果您是 PC 游戏玩家，您可能听说过 V-Sync，它是 Nvidia 针对此问题的软件解决方案。

帧率同步是一个很容易在硬件中执行但使用软件完成时会消耗大量 CPU 的任务的示例。

静音示波器

Sigilent SDS 1202X-E 是一款 200MHz、2 + 1 通道示波器。 EEVblog 的拆解揭示了它的动力来源，即 Xilinx Zynq-7000 混合 CPU/FPGA。

Zynq-7000 芯片有两个硬 ARM CPU 和一个片上可编程 FPGA 部分。使用 Zynq 的优势在于您可以在处理系统 (PS) 部分上运行 Linux。在 Linux 中，您可以使用所有高级 GUI 库来创建漂亮的用户界面。

同时，您可以通过在芯片的可编程逻辑 (PL) 部分中使用自定义逻辑来高速采样传感器数据。 PS 和 PL 部分之间的互连具有非常高的带宽，因为它位于同一个硅片内。总体而言，这是一款用于创建高性能物联网 (IoT) 应用的优秀芯片。

UltraMiner FPGA

UltraMiner 是多年来出现的众多众筹 FPGA 矿机之一。在撰写本文时，筹款活动仍在进行中。

根据项目页面的卖点，它的能效是GPU矿机的四倍。

鹅卵石时间

Pebble 是一款早期的智能手表，早在 2012 年就通过 Kickstarter 活动众筹。它使用微型 FPGA 来控制 LCD。

如果您拥有 Pebble，那么您一直在手腕上佩戴 FPGA。控制 Pebble 的固件是开源的，连接 FPGA 的代码在他们在 GitHub 上的 repo 中。

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