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Xilinx Artix-7 FPGA快速入門、技巧與實(shí)例連載5——FPGA應(yīng)用領(lǐng)域 更多資料共享 鏈接：https://share.weiyun.com/53UnQas 
FPGA目前雖然還受制于較高的開發(fā)門檻以及器件本身昂貴的價(jià)格，應(yīng)用的普及率上和ARM、DSP還是有一定的差距，但是在非常多的應(yīng)用場合，工程師們還是會(huì)別無選擇的使用它。FPGA所固有的靈活性和并行性是其他芯片所不具備的，所以它的應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋得很廣。從技術(shù)角度來看，主要是有以下需求的應(yīng)用場合。 ● 邏輯粘合，如一些嵌入式處理常常需要地址或外設(shè)擴(kuò)展，CPLD器件尤其適合。今天已經(jīng)少有項(xiàng)目會(huì)選擇一顆FPGA器件專門用于邏輯粘合的應(yīng)用，但是在已經(jīng)使用的FPGA器件中順便做些邏輯粘合的工作倒是非常普遍。
圖1.20邏輯粘合 如圖1.21所示，這是一個(gè)真實(shí)的案例，一顆TI的DSP處理器，需要將它的EMIF（External Memory Interface）連接3顆雙口RAM芯片，既有的EMIF肯定無法滿足要求，因此中間使用了一顆FPGA作為“橋接”，有效的將地址和數(shù)據(jù)總線做擴(kuò)展。
圖1.21基于CPU外設(shè)擴(kuò)展的邏輯粘合應(yīng)用 ● 實(shí)時(shí)控制，如液晶屏或電機(jī)等設(shè)備的驅(qū)動(dòng)控制，此類應(yīng)用也以CPLD或低端FPGA為主。
圖1.22實(shí)時(shí)控制 電機(jī)和電動(dòng)控制器在工業(yè)設(shè)備中應(yīng)用廣泛。當(dāng)您走進(jìn)任何一家工廠，您會(huì)發(fā)現(xiàn)千差萬別的機(jī)械組件之間總有一些似曾相似的感覺——這些機(jī)械都采用電機(jī)作為動(dòng)力。多數(shù)電機(jī)控制系統(tǒng)都采用微控制器做驅(qū)動(dòng)控制。然而，微控制器卻不能滿足復(fù)雜電機(jī)控制算法的性能需求，如直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）或無傳感器磁場定向控制（SFOC）。過去，曾經(jīng)使用數(shù)字信號處理器（DSP）克服這個(gè)問題，但當(dāng)涉及高性能時(shí)，其成本效益通常無法與FPGA匹敵。使用單顆FPGA器件，便可搭建一個(gè)復(fù)雜的、可伸縮的、高性能的電機(jī)控制系統(tǒng)。
圖1.23工業(yè)現(xiàn)場實(shí)時(shí)控制應(yīng)用 ● 高速信號采集和處理，如高速AD前端或圖像前端的采集和預(yù)處理，近年來持續(xù)升溫的機(jī)器視覺應(yīng)用也幾乎是無一例外的都使用了FPGA器件。
圖1.24 高速 如圖1.25所示，諸如此類的應(yīng)用，其硬件系統(tǒng)大體如此。前端有ADC做數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，F(xiàn)PGA做實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換控制和數(shù)據(jù)采集，同時(shí)進(jìn)行必要的前端數(shù)據(jù)處理、編碼或壓縮，DDR3或DDR4高速存儲器做緩存，最終通過USB、以太網(wǎng)、PCIe等接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶蠖�。圖像采集的應(yīng)用也與此相似，只要將ADC部分更換為圖像傳感器即可。
圖1.25 高速采集處理應(yīng)用 ● 協(xié)議實(shí)現(xiàn)，如更新較快的各種有線和無線通信標(biāo)準(zhǔn)、廣播視頻及其編解碼算法、各種加密算法等，諸如此類小批量、定制化、更新?lián)Q代頻繁的應(yīng)用使用FPGA比ASIC更有競爭力。
圖1.26無線通信基站的協(xié)議實(shí)現(xiàn) 如圖1.27所示，電視廣播站采用串行數(shù)字接口（SDI）作為傳輸協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在同軸電纜上傳輸無壓縮的數(shù)字視頻。每次視頻圖像質(zhì)量改進(jìn)，該標(biāo)準(zhǔn)往往都要擴(kuò)容。最新的標(biāo)準(zhǔn)為3G-SDI。伴隨著這些變化， FPGA便成為其最佳的解決方案，F(xiàn)PGA解決方案提供核心收發(fā)器，能夠在同一臺收發(fā)器上，不更改板級硬件電路的前提下，升級FPGA代碼版本以兼容所有三種 SDI 速率（SD SDI、 HDSDI 以及 3G-SDI）。
圖1.27SDI編碼器應(yīng)用 此外，演播室內(nèi)往往也還有其他許多的升級要求。例如新的數(shù)字技術(shù)能夠幫助剪輯視頻流、改進(jìn)或修正畫量，以及壓縮圖像，以供電纜或衛(wèi)星線路傳輸。最新的壓縮標(biāo)準(zhǔn) H.265（也被稱為“高效視頻編解碼標(biāo)準(zhǔn)”）極大減少了影視節(jié)目的編碼位數(shù)。但是，該標(biāo)準(zhǔn)需要海量計(jì)算。許多設(shè)備供應(yīng)商都發(fā)現(xiàn)，一邊要把功能打包到一個(gè)片上系統(tǒng)，一邊又要解決快速發(fā)展產(chǎn)生的時(shí)間壓力，多種需求的重合，F(xiàn)PGA無疑又是最佳的解決方案。 ● 各種原型驗(yàn)證系統(tǒng)。由于工藝的提升，流片成本也不斷攀升，而在流片前使用FPGA做前期的驗(yàn)證已成為非常流行的做法。
圖1.28原型驗(yàn)證 ● 并行計(jì)算。過去傳統(tǒng)的CPU計(jì)算受限于其串行順序處理的架構(gòu)，已經(jīng)很難適應(yīng)今天的云計(jì)算和數(shù)據(jù)中心對大數(shù)據(jù)運(yùn)算的需求了；而GPU雖然在并行處理以及所使用的高級編程語言上有不小的優(yōu)勢，也在過去一段時(shí)間內(nèi)成為了此類應(yīng)用的主流方案，但也受限于極高的成本和功耗代價(jià)；相比之下，單位功耗性能是GPU的3~4倍的FPGA則大有取而代之之勢。
圖1.29并行計(jì)算 高性能計(jì)算（HPC）市場是如今增長最為迅速的計(jì)算領(lǐng)域。在金融、醫(yī)學(xué)成像、生物科學(xué)、軍事以及許多其它很多需要高性能計(jì)算的領(lǐng)域，都能夠受益于FPGA器件的并行性所帶來的性能提升。想象一下金融市場，以及那些在不同地點(diǎn)傳輸?shù)�、令人難以置信的貿(mào)易、預(yù)測和價(jià)格計(jì)算數(shù)據(jù)。在這些交易中，哪怕是不到一分錢的占比都有重要的意義，因此高速、精確的浮點(diǎn)算術(shù)絕對必要。在高性能計(jì)算里，浮點(diǎn)是數(shù)字表示法，用一系列數(shù)字或數(shù)位表示真實(shí)數(shù)字。應(yīng)用程序需要浮點(diǎn)數(shù)據(jù)類型，以獲得比整數(shù)計(jì)算更為精確的計(jì)算結(jié)果。浮點(diǎn)運(yùn)算需要更多的處理器邏輯，因此也需要更多的并行處理。如今的中高端FPGA器件都標(biāo)配DSP處理單元，甚至能夠以硬浮點(diǎn)的形式出現(xiàn)，加之FPGA器件天生的并行性，拿下高性能計(jì)算這塊大肥肉自然不在話下。 ● 片上系統(tǒng)，如Altera公司的SocFPGA和Xilinx公司的Zynq，這類FPGA器件，既有成熟的ARM硬核處理器，又有豐富的FPGA資源，大有單芯片一統(tǒng)天下的架勢。
圖1.30ZYNQ架構(gòu)的嵌入式系統(tǒng) 當(dāng)然了，若從具體的行業(yè)細(xì)分來看，F(xiàn)PGA在電信、無線通信、有線通信、消費(fèi)電子產(chǎn)品、視頻和圖像處理、車載、航空航天和國防、ASIC原型開發(fā)、測試測量、存儲、數(shù)據(jù)安全、醫(yī)療電子、高性能計(jì)算以及各種定制設(shè)計(jì)中都有涉獵�？偠灾現(xiàn)PGA所誕生并發(fā)展的時(shí)代是一個(gè)好時(shí)代，與身俱來的一些特性也注定了它將會(huì)在這個(gè)時(shí)代的舞臺上大放光彩。
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