赵志强

摘要

FPGA是英文Field-Programmable Gate Array的缩写，翻译为现场可编程门阵列，是在CPUD，GAL，PAL的基础上发展起来的一种全新的编程方式，作为一种半定制的电路，应用在专用集成电路领域之中，有效的解决了原有的可编程器件门电路数不足的问题，也避免了定制电路自身存在的一些缺点，得到日益广泛的应用。

【关键词】FPGA芯片 设计 应用 分析

FPGA设计不是简单的芯片研究，主要是利用FPGA的模式进行其他行业产品的设计。与ASIC不同，FPGA在通信行业的应用比较广泛。通過对全球FPGA产品市场以及相关供应商的分析，结合当前我国的实际情况以及国内领先的FPGA产品可以发现相关技术在未来的发展方向，对我国科技水平的全面提高具有非常重要的推动作用。

1 FPGA的基本结构

FPGA器件属于专用集成电路中的一种半定制电路，是可编程的逻辑列阵，能够有效的解决原有的器件门电路数较少的问题。FPGA的基本结构包括可编程输入输出单元，可配置逻辑块，数字时钟管理模块，嵌入式块RAM，布线资源，内嵌专用硬核，底层内嵌功能单元。由于FPGA具有布线资源丰富，可重复编程和集成度高，投资较低的特点，在数字电路设计领域得到了广泛的应用。FPGA的设计流程包括算法设计、代码仿真以及设计、板机调试，设计者以及实际需求建立算法架构，利用EDA建立设计方案或HD编写设计代码，通过代码仿真保证设计方案符合实际要求，最后进行板机调试，利用配置电路将相关文件下载至FPGA芯片中，验证实际运行效果。

2 FPGA芯片的设计

FPGA设计是利用相关技术为各行业所需要的产品进行设计，并非研发FPGA芯片。FPGA是设计要求比较严格，门槛较高，目前主要采用Verilog的方式开展设计。在初期阶段，FPGA使用原理图的方式进行设计，这种方式整体效率比价低，无法实现大规模的设计，但利用C语言，matlab的算法设计转化为Ver110G的方式没有得到广泛的应用，技术人员变形相关代码依然是主流的设计方式。

FPGA设计的主要难点是熟悉硬件系统以及内部资源，保证设计的语言能够实现元器件之间的有效配合，提高程序的可读性以及利用率。这也对设计人员提出了比较高的要求，需要经过多个项目的经验积累才可以达到相关的要求。

在算法设计时需要重点考虑合理性，保证项目最终完成的效果，依据项目的实际情况提出解决问题的方案，提高FPGA的运行效率。确定算法后应当合理构建模块，方便后期进行代码设计。在代码设计时可以利用预先设计好的代码，提高工作效率，增强可靠性。编写测试平台，进行代码的仿真测试和班级调试，完成整个设计过程。FPGA同ASIC不同，开发的周期比较短，可以结合设计要求改变硬件的结构，在通信协议不成熟的情况下可以帮助企业迅速推出新产品，满足非标准接口开发的需求。

3 FPGA的主要应用

3.1 FPGA在视频分割系统中的应用

近年来，大型的总控系统得到了日益广泛的应用，与之相关的视频分割技术水平也在逐步提高，该技术是把用多屏拼接显示的方式来显示一路视频信号，在一些需要使用大屏幕显示的场景应用广泛。随着技术水平的进步，视频分割技术逐步成熟，满足了人们对于清晰视频图像的基本需求、

FPGA芯片硬件结构比较特殊，可以利用事先编辑的逻辑结构文件调整内部结构，利用约束的文件来调整不同逻辑单元的连接和位置，妥善处理好数据线路径，其自身具有的灵活性和适应性方便用户的开发和应用。在处理视频信号时，FPGA芯片可以充分利用自身的速度和结构优势，实现兵乓技术和流水线技术。在对外连接的过程中，芯片采用数据并行连接的方式，使图像信息的位宽拓宽，利用内部的逻辑功能提高图像处理的速度。通过高速缓存结构以及时钟管理实现对图像处理以及其他设备的控制。在整体的设计结构中，FPGA芯片处于核心位置，复杂数据的插值处理以及提取和存储，还起到总体控制的作用，保证系统的稳定运行。另外，视频信息处理与其他数据处理不同，需要芯片具有特殊的逻辑单元以及RAM或者FIFO单元，保证提高足够的数据传输速度。

3.2 FPGA在数据延迟器和存储设计的应用

FPGA具有可编程的延迟数字单元，在通信系统和各类电子设备中有着比较广泛的应用，比如同步通信系统，时间数值化系统等，主要的设计方法包括数控延迟线法，存储器法，计数器法等，其中存储器法主要是利用FPGA的RAM或者FIFO实现的。

利用FPGA对SD卡相关数据进行读写可以依据具体算法的需求低FPGA芯片开展编程，更加实际情况的变化实现读写操作的不断更新。这种模式之下只需要利用原有的芯片便可以实现对SD卡的有效控制，明显降低了系统的成本。

3.3 FPGA在通信行业的应用

通常情况下，通信行业综合考虑成本以及运营等各方面的因素，在终端设备数量比较多的位置，FPGA的用量比较大，基站最适合使用FPGA，基站几乎每一块板子都需要使用FPGA芯片，而且型号比较高端，可以处理复杂的物理协议，实现逻辑控制。同时，由于基站的逻辑链路层，物理层的协议部分需要定期更新，也比较适合采用FPGA技术。目前，FPGA主要在通信行业的建设初期和中期应用，后期逐步被ASIC替代。

FPGA在安防，工业等领域也有着比较广泛的应用，比如安防领域的视频编码解码等协议在前端数据采集和逻辑控制的过程中可以利用FPGA处理。工业领域主要采用规模较小的FPGA，满足灵活性的需求。另外，由于FPGA具有比较高的可靠性，因此在军工以及航天领域也有比较广泛的应用。未来，随着技术的不断完善，相关工艺将会完成升级改造，在诸多新型行业比如大数据等，FPGA将会有更为广泛的应用前景。伴随5G网络的建设，初期会大量应用FPGA，人工智能等新型的领域也会更多的用到FPGA。

4 结束语

FPGA作为一项新技术在通信，工业等领域应用广泛，相关人员应当加强研究，逐步解决应用过程中存在的问题，拓宽应用的范围，完善设计理念，使相关的技术更好的为社会服务。

参考文献

[1]邓涛.FPGA芯片功能剖析及应用优势[J].数字通信世界，2017（04）.