ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ ＷＯＲＬＤ·技 术 交 流
浅 谈 ＦＰＧ Ａ技 术 的 优 势 及 其 应 用
中国船舶重工集 团公 司第七一五研 究所 陈 木
【摘要 】本文系统的介绍 了ＦＰＧＡ的发展历史，以及其作为一种新型的高密度器件所具有的主要优势，其 高性能、低成
本、灵活性、稳定性等特征使 其在 各类电子产品中被广泛的应用。
【关键词 】ＦＰＧＡ；信号处理
信 息技术 的迅 速发展 为人 们使 用现代 数字 信号 处理
技术实现快速 信息处理提供 了有效支 持，数据采集和处
理 技术在 其 中发挥重 要 的作 用 。计算机 科学 技术 的飞速
发展使人们的生活 日新月异，它 促使人们采 用数字信号
处 理技术 实现 快速 的、海量 的数 据 的处理 ，数据采 集处
理技 术起 着至 关重要 作用 。所谓 的数据 采集 系统就 是完
成 模 拟 信 号 到 计算 机 能 识 别 的 数字 信 号 的一 个转 换 系
统 ，并且 该系 统要将 转换得 到 的数字 信号输 入到计 算机
中，其中的模拟信 号是从 模拟传感器输 出端获得 ，计算
机 根据不 同的需求进 行相应 的计算处 理 ，最 终得 出所 需
的数据 。与此 同时 ，显示 或打 印 出计 算机 的数据 ，以便
人 们能够 方便 的监 视某些 物理 量 ，计 算机控 制系 统通 过
一
些数据对 生成 过程中 的某些物理量进行控制 。
１ ＦＰＧＡ的产生与发展
上 个 世 纪 ８０年 代 中 期 ， 一种 新 型 的高 密 度 的 器 件
ＦＰＧＡ逐步得 到使 用 ，它是在 其他 的一些可 编程器 件 的基
础 上 不 断 发展 而 产 生 的 ， 比如 可编 程 器 件ＰＡＬ、ＧＡＬ与
ＥＰＬＤ等 。现在 市场上对 高性 能芯片 的要求 越来越 高 以及
工艺技 术飞 速发展 ，这些 都促使ＦＰＧＡ快 速的 占有市场 ，
只因其 高速、低 功耗 的卓越性能 。可编程 输入／输 出单
元 、基本 可 编程 逻辑 单 元 、嵌入 式 块ＲＡＭ、丰 富 的布 线
资源 、底层 嵌入功 能单元 和 内嵌专用硬 核 ，这是ＦＰＧＡ简
化 了的基本 组成部 分 。ＦＰＧＡ的输入 输 出单 元多 为设置 灵
活 的可编程 式设置 ，其输入 输 出特 性支 持大 多数 的电气
标 准 ，更 具 灵 活 性 。可编 程 的逻 辑 单元 是可 编 程 逻 辑
的 基础 ，这 些 逻 辑 单 元 可 以在 内部 进 行 相应 的连 接 与
配置 。ＦＰＧＡ一般 是 基 于ＳＲＡＭ工 艺 ，其基 本 可编 程 逻 辑
单元 通常 由查找表 （Ｌｏｏｋ Ｕｐ Ｔａｂｌｅ，ＬＵＴ）和 寄存 器
（Ｒｅｇｉｓｔｅｒ）组成 。ＦＰＧＡ的灵 活性 的提高 以及 应用 范围
的扩大是通过在 ＦＰＧＡ 中嵌入可编程ＲＡＭ （Ｂｌｏｃｋ ＲＡＭ）
来 实现 的 。ＦＰＧＡ的 各种 结 构 都 具有 灵 活 的 配置 ，这 包
括 ＦＩＦＯ （Ｆｉｒｓｔ Ｉｎ Ｆｉｒｓｔ Ｏｕｔ）、 双 口ＲＡＭ （Ｄｏｕｂ１ｅ
Ｐｏｒｔ ＲＡＭ， ＤＰＲＡＭ）、 伪 双 口ＲＡＭ （Ｐｓｅｕｄｏ ＤＰＲＡＭ） 、ＣＡＭ
（Ｃｏｎｔｅｎｔ Ａｄｄｒｅｓｓａｂｌｅ Ｍｅｍｏｒｙ）、和 单 Ｉ：ＩＲＡＭ （Ｓｉｎｇｌｅ
Ｐｏｒｔ ＲＡＭ，ＳＰＲＡＭ）等 。ＦＰＧＡ信号 处理 的驱动 能力和数
据传 输速度 取 决于ＦＰＧＡ内部所有 单元 的布线连线 长度和
布线 的工 艺方式 。像 ＰＬＬ、ＤＬＬ、ＤＰＳ和ＣＰＵ这些 单元都是
通用 度 比较 高 的嵌入 功能模块 ，称 之为底 层嵌入 功能单
元 。而所 谓 内嵌专用 硬核则 不 同于底层 嵌入功 能单元 ，
大 多数ＦＰＧＡ不 包含此 类硬核 。 比较常 用 的例子 是ＳＥＲＤＥＳ
（串并收发器）等专用 硬核被 集成于许多高级ＦＰＧＡ产品
中，其 目的在 于适用 高速通 信总线 和某 些接 口标准 ，进
而大幅度提 高ＦＰＧＡ的性 能 。
２ ＦＰＧＡ的主要优势
ＦＰＧＡ在使 用方面 存在诸 多 的优 势 。首先 ，其超越 了
ＤＳＰ的运算能力 ，其运算模式非 顺序执 行，可在 每个处理
周 期 中完 成更 多 的运 算任务 。ＢＤＴＩ公 司是一家 从事分 析
与基准测 试 的公司 ，其发布 的报告 显示 ，ＦＰＧＡ的处理方
案 和 ＤＳＰ相 比更 具经 济 性 ，可 以节 省 ２倍 以上 的成 本 支
出 。ＦＰＧＡ提 供 了更为快 速 的响应时 间和 专业化 的功 能，
这是 因为其在 硬件层 面控 制输入 与输 出 ，用户 再也 不用
通过 自己定￥１ＪＡＳＩＣ设计从而浪费较长的时间，其想法可
以通 过硬件完 成 实验 ，因此更 具灵活性 。更 让人感 到欣
慰的是 高层 次 的软件 工具 降低 了学 习曲线 ，并提供 能够
实现 高 级 控 制与 信 号 处 理 的ＩＰ核。在 成 本 控制 方 面 ，
ＦＰＧＡ的优 势更为 显著 。原始 的ＡＳＩＣ设计 需要原始 设备制
造 企业 提供大 量 的芯片且 投资 巨大 。可编程 芯片在 节省
成本 和时 间上有着 强大 的优势 。系统 的 需求 时刻 改变 ，
但 这对 于可编 程芯 片来说 并不是 问题 ，毕竟相对 于ＡＳＩＣ
而 言 ，这些 改变所 带来 的成 本几 乎可 以忽略不计 。ＦＰＧＡ
电路是 真正 的变成 “硬 ”执行 过程 ，因为软件 工具 提供
了编程环 境 。传统 的数据 处理模 式 中，系统包 含众 多抽
象层 ，计划任 务 以及共享 资源等 活动在 多个进 程之 间进
行。内存 及带宽由系 统层面控制 而硬件 等设备 则归于驱
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