本文将深入探讨FPGA技术，以及设计师如何利用它为各类电子项目开发独特定制的硬件，无需依赖竞争对手都在使用的相同应用特定标准产品(ASSP)。

什么是FPGA

FPGA（现场可编程门阵列的缩写）是一种集成电路，允许设计师和开发者在现场编程定制数字逻辑——具体细节稍后解释。FPGA自20世纪80年代问世以来，最初旨在让所有开发者和设计师能够以较低成本创建定制逻辑。FPGA是半导体集成电路，器件内部的大部分电气功能都可以改变；设计工程师可以在PCB组装过程中修改、改进，甚至在设备运送到客户现场后进行更改。换句话说，FPGA是一种半导体器件，其功能即使在制造后也能定义和修改。在这方面，FPGA让您能够在产品安装到现场后优先考虑产品特性和功能，适应新标准，并为特定应用和项目重新配置硬件——因此称为现场可编程。而门阵列（GA）——二维阵列——是预制的硅芯片，大多数组件没有预定功能，可以通过金属层连接形成常见的NAND或NOR逻辑门。这些逻辑门可以根据电子项目的需求进一步互连成完整电路，开发复杂结构。计算机科学中有一个著名定理，指出NAND门是通用的，意味着您只需连接NAND门就能实现任何明确定义的功能。所以如果您能构建足够的NAND门，就能构建计算任何内容的设备。我稍微偏离了主题。用通俗的话来说，FPGA为您的设计提供了适应性，是一种改变系统部分工作方式的方法，而不会在设计计划中引入大量成本和延迟风险。

FPGA应用

FPGA为多种电子设备的设计师提供了各种优势：相机时间调整、飞机导航、汽车驾驶辅助、医疗超声和数据中心搜索引擎。例如，FPGA功能让设计师即使在制造后也能改变产品功能和特性。在这方面，可以对FPGA进行调整和修改，而无需进行昂贵的PC板更改——其他设计选项（ASSP和ASIC）无法在不花费大量成本和时间的情况下进行更改。由于这种灵活性，设计师能够更快、更便宜地将功能增强的产品推向市场。此外，FPGA包括片上处理器、28 Gbps（或更快）的收发器I/O、RAM块、DSP引擎等。FPGA内的功能越多意味着电路板上的设备越少，通过减少设备故障数量来提高可靠性，同时降低成本。

如上所述，FPGA有很多优势，但它们容易编程吗？编程FPGA比大多数设计师想象的要容易得多。编程FPGA的步骤包括识别设计师想要自己编写的任何设计部分，选择高级或硬件描述语言（HDL），在文本编辑器中编写代码，综合设计，布局布线设计，然后将设计加载到FPGA本身。设计加载到FPGA后，可能需要进行调试周期以修复功能中的缺陷和故障。然而，不使用HDL（高级或硬件描述语言），软件设计师现在可以使用OpenCL等高级软件编程工具编译代码并创建FPGA设计所需的硬件描述文件。对于更详细的设计，设计师仍需使用HDL，如Verilog，这是一种广泛用于创建FPGA设计的HDL。方便的是，Verilog的语法与著名的通用编程语言C非常相似。在FPGA编程中，综合工具将以HDL编程的产品设计转换为配置为实现HDL描述功能的门、寄存器和导线网络。然后额外的过程选择在FPGA中使用哪些特定的门、寄存器和导线，并创建一个编程文件，在FPGA启动时对其进行配置。编译HDL设计后，设计师通过在仿真环境中测试设计来调试代码，然后再将其应用到FPGA。

设计师和开发者在许多应用和领域利用FPGA创建从基本到复杂结构的高质量终端产品：快速且经济高效地适应不断发展的终端市场和标准，满足并提高性能要求，通过其灵活性降低系统开发和物料清单成本。
• 微控制器开发板和扩展板
• 自动化
• 嵌入式视觉
• 太阳能
• 工业物联网
• 密码学
• 计算机硬件仿真
• 航空航天和国防
• 科学仪器
• 视频和图像处理
• 无线通信
• 广播
• 数据挖掘

换句话说，在上述领域和应用以及更多领域中，您可以创建最先进的设备，这些设备可以定制和增强以适应新兴标准或行业不断变化的要求。如果您是设计包含FPGA设备的新手，例如为电子项目设计一个出色的开发板，您可能会认为使用FPGA构建系统意味着您必须处理数百万个逻辑门和大量连接才能实现项目设计。但是，不用担心，FPGA设计师已经完成了添加常用组件的大部分繁重工作，如时钟发生器、动态随机存取存储器（DRAM）控制器、外围组件互连快速控制器（PCI），甚至整个多核微处理器：所以您需要做的就是专注于定制特定于项目的功能。

总之，FPGA为开发未来创新的设计师提供了创建灵活、廉价和自适应硬件的能力，而无需被迫使用制造后电气功能无法更改的通用电路设计。

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