在我們嵌入式中，有這樣一朵奇葩介于軟件與硬件之間，這朵奇葩就是FPGA。可能很多平時玩MCU比較多的朋友不太了解。

之前我也不太了解，但是最近兩年的這兩份工作都有與FPGA掛鉤，所以我精通FPGA程序的燒寫（不僅如此，我還精通電腦的開關(guān)機，哈哈）：

下面我們一起來簡單了解一下。

什么是FPGA

FPGA （Field Programmable Gate Array ），即現(xiàn)場可編程邏輯門陣列，屬于專用集成電路中的一種半定制電路，是可編程的邏輯列陣，能夠有效的解決原有的器件門電路數(shù)較少的問題。

FPGA 的基本結(jié)構(gòu)包括可編程輸入輸出單元，可配置邏輯塊，數(shù)字時鐘管理模塊，嵌入式塊RAM，布線資源，內(nèi)嵌專用硬核，底層內(nèi)嵌功能單元。

FPGA說白了就是一顆芯片，只不過是半定制的芯片，它里面的電路可以通過硬件描述語言來設(shè)計，所以靈活性很高。

設(shè)計語言及平臺

為什么說FPGA是一朵介于軟件與硬件之間的一朵奇葩呢。

因為說它屬于硬件吧，但是也是需要寫代碼的，說它是軟件吧，但其思想又與我們一些軟件設(shè)計思想不符（FPGA程序是并行執(zhí)行的），而且又得對一些數(shù)電及一些芯片規(guī)格、芯片內(nèi)部原理等硬件知識了解得很深。綜合來說，我覺得FPGA還是屬于硬件的范疇。

FPGA使用硬件描述語言來開發(fā)， 常用的主要有VHDL、Verilog HDL、System Verilog 和 System C。其中，Verilog HDL是廣泛應(yīng)用的硬件描述語言，可以用于硬件設(shè)計流 程的建模、綜合、模擬等多個階段。

Verilog HDL 優(yōu)點：類似C語言，上手容易，靈活。大小寫敏感。在寫激勵和建模方面有優(yōu)勢。缺點：很多錯誤在編譯的時候不能被發(fā)現(xiàn)。

FPGA的應(yīng)用及發(fā)展

FPGA一般應(yīng)用在高性能處理、實時要求高的領(lǐng)域，比如高速接口、報文轉(zhuǎn)發(fā)、圖像處理、視頻傳輸、輔助電機控制（比如伺服驅(qū)動器）等，還可以應(yīng)用在芯片前期驗證。

說個我們MCU玩家可能比較熟悉的：MCU芯片的前期設(shè)計驗證。大家有沒有想過STM32是怎么做出來的呢？

首先,用FPGA來設(shè)計STM32內(nèi)部的電路，設(shè)計完之后就可以把這FPGA芯片當(dāng)成STM32來用，然后就可以寫C代碼去驗證一些外設(shè)。

如果發(fā)現(xiàn)外設(shè)功能不正常，那又可以用硬件描述語言來修改FPGA內(nèi)部電路，不斷修改直到FPGA的功能都正常（具有與一般MCU芯片一樣的功能），然后再拿去封裝成一顆顆芯片，就是我們在用的STM32。

大家不要誤以為我是ST的工程師哈，以上只是一些自己接觸到的東西加上自己的一些之前的學(xué)習(xí)了解到的東西。

上面用到的相關(guān)是SOPC技術(shù)。什么是SOPC技術(shù)呢？

SOPC技術(shù)簡介

SOPC是在單純的FPGA芯片上使用FPGA的邏輯和存儲器資源搭建一個軟核CPU系統(tǒng)，由該軟核CPU實現(xiàn)所需處理器的完整功能。

由于是使用FPGA的通用邏輯搭建的CPU，因此具有一定的靈活性，用戶可以根據(jù)自己的需求對CPU進行定制裁剪，增加一些專用功能，例如除法或浮點運算單元，用于提升CPU在某些專用運算方面的性能，或者刪除一些在系統(tǒng)里面使用不到的功能，以節(jié)約邏輯資源。

另外也可以根據(jù)用戶的實際需求，為CPU添加各種標(biāo)準(zhǔn)或定制的外設(shè)，例如UART，SPI，IIC等標(biāo)準(zhǔn)接口外設(shè)，同時，用戶也可以自己使用FPGA的邏輯資源，編寫各種專用的外設(shè)，然后連接到CPU總線上，由CPU進行控制，以實現(xiàn)軟硬件的協(xié)同工作。

在保證系統(tǒng)性能的同時，增加了系統(tǒng)的靈活性。而且，如果單個的軟核CPU無法滿足用戶需求，可以添加多個CPU軟核，搭建多核系統(tǒng)，通過多核CPU協(xié)同工作，讓系統(tǒng)擁有更加靈活便捷的控制能力。

由于CPU是使用FPGA的通用邏輯資源搭建的，相較使用經(jīng)過布局布線優(yōu)化的硬核處理器來說，軟核處理器夠運行的最高實時鐘主頻要低一些，而且也會相應(yīng)的消耗較多的FPGA邏輯資源以及片上存儲器資源。

因此SOPC方案僅適用于對于數(shù)處理器整體性能要求不高的應(yīng)用，例如整個系統(tǒng)的初始化配置，人機交互，多個功能模塊間的協(xié)調(diào)控制等功能。再如在芯片的設(shè)計驗證階段，主要保證芯片功能沒問題即可。

在高端應(yīng)用上，比如視覺、機器人的應(yīng)用上，會用到SoC FPGA技術(shù)。什么又是SoC FPGA技術(shù)呢？

SoC FPGA技術(shù)簡介

從架構(gòu)的角度來說，SOPC和SOPC FPGA是統(tǒng)一的，都是由FPGA部分和處理器部分組成。在SoC FPGA 中，嵌入的是ARM公司的Cortex-A9硬核處理器，簡稱HPS(Hardware Processor System)。

而SOPC技術(shù)中，嵌入的是NIOS II 軟核處理器，兩者指令集不一樣，處理器性能也不一樣。Cortex-A9硬核處理器性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于NIOS II 軟核處理器。

相關(guān)芯片就是Altera公司的Cyclone V SoC FPGA芯片。Cyclone V SoC FPGA 片上的HPS部分，不僅集成了有雙核的Cortex-A9硬核處理器，還集成了各種高性能外設(shè)，如MMU、DDR3控制器、Nand FLASH控制器等，有這些外設(shè)，HPS部分就可以運行成熟的Linux操作系統(tǒng)。

NIOS II軟核CPU雖然可以通過配置，用邏輯資源來搭建相應(yīng)的控制器以支持相應(yīng)功能，但是從性能和開發(fā)難度上來說，基于SoC FPGA架構(gòu)進行設(shè)計開發(fā)是比較好的選擇。

雖然SoC FPGA芯片上既包含了有ARM，又包含了有FPGA，但是兩者一定程度上是相互獨立的，SoC芯片上的ARM處理器核并非是包含于FPGA邏輯單元內(nèi)部的，FPGA和ARM（HPS）處理器只是封裝到同一個芯片中，JTAG接口、電源引腳和外設(shè)的接口引腳都是獨立的。

因此，如果使用SoC FPGA芯片進行設(shè)計，即使不使用到片上的ARM處理器，ARM處理器部分占用的芯片資源也無法釋放出來，不能用作通用的FPGA資源。而SOPC則是使用FPGA通用邏輯和存儲器資源搭建的CPU，當(dāng)不使用CPU時，CPU部分占用的資源可以被釋放，重新用作通用FPGA資源。

相關(guān)資料：

《阿東 手把手教你學(xué)FPGA》《小梅哥 基于SoC FPGA的嵌入式設(shè)計和開發(fā)教程》

最后

FPGA技術(shù)是一項很熱門、很吃香的技術(shù)，但也是有門檻的。比如學(xué)歷，很多FPGA相關(guān)得崗位，都需要研究生學(xué)歷。FPGA一般研究生階段會接觸得比較多，如果本科階段能接觸到，那就太幸福了，可以學(xué)一學(xué)。正點原子和野火也在做這方面的教程吧。正點原子的做FPGA教程的好像是《手把手教你學(xué)FPGA》這本書的作者，很好的書。

FPGA在高端領(lǐng)域用得多，什么是高端領(lǐng)域前面介紹的時候已經(jīng)有說，工業(yè)機器人、圖像處理等。有機會可以去大廠走一遭（大廠也有容易進的），接觸一些一般在一般公司接觸不到的東西，可以刷新我們的認(rèn)知。大廠的特點就是有錢、任性，用的都是高端芯片。

之前的公司用的都是Altera的Cyclone V SoC FPGA芯片、TI的DSP28377、AM5728等高端芯片，有的項目甚至幾塊高端芯片一起上，但是并沒有用到那么多的芯片資源。那時候發(fā)現(xiàn)STM32好low啊，但現(xiàn)在是真香，哈哈。

大家都知道我們做嵌入式的，要涉及的東西都很雜，在專注于一個方向的前提下多了解一些其它知識也是很有幫助的。關(guān)于FPGA相關(guān)的筆記我是寫不動了，因為我這方面學(xué)得不多，也基本都忘了。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的一文带你认识FPGA~的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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