FPGA的英文全稱是:Field Programmable Gate Array,中文是:現場可編程門陣列,它是由大量的邏輯門、存儲單元和可編程連接器件組成的,是一種以數字電路為主的集成晶片。
因其是由通過可編程互連連接的可配置邏輯塊(CLB)矩陣構成的半導體器件,所以現場可編程門陣列(FPGA)在製作完成之後可根據所需的應用或功能要求進行重新編程。
FPGA的工作原理是基於可編程邏輯的思想,它可以在需要的時候重新配置它的邏輯電路,實現不同的功能。 FPGA的邏輯電路是由可編程邏輯單元(PLU)組成的,每個PLU都可以完成特定的邏輯操作,例如AND、OR和NOT等。這些PLU可以通過可編程連接器件連接起來,形成任意的邏輯電路查找表(Look-Up-Table)簡稱為LUT,LUT 本質上就是一個RAM。目前FPGA中多使用4輸入的LUT,所以每一個LUT可以看成一個有4位地址線的 的RAM。當用戶通過原理圖或HDL語言描述了一個邏輯電路以後,PLD/FPGA開發軟體會自動計算邏輯電路的所有可能結果,並把真值表(即結果)事先 寫入RAM,這樣,每輸入一個信號進行邏輯運算就等於輸入一個地址進行查表,找出地址對應的內容,然後輸出即可。
所以通過燒錄文件去配置查找表的內容,從而實現在相同電路情況下實現了不同的邏輯功能。
這也是現場可編程門陣列(FPGA)晶片區別於特定用途集成電路(ASIC)的不同之處。
FPGA的歷史
FGPA於 晶片屬於可編程邏輯器件(Programmable Logic Device,PLD)的一種,20世紀八十年代,Ross Freeman從Zilog購買FPGA技術,隨後創立公司賽靈思,並於1985 年推出第一顆真正意義上的FPGA晶片XC2064,其當時只有64個邏輯模塊和不到1萬個電晶體。
最初,FPGA只是充當連接各個專用晶片的膠合邏輯(Glue Logic)的角色。直到SoC-FPGA(可編程片上系統晶片)發布,單個FPGA晶片中實現一個完整電子系統成為現實的方案,FPGA才算真正走到舞台中央。
根據FPGA的電路結構,FPGA 可編程大致可以分為三個方面的可編程:可編程邏輯塊/邏輯陣列塊、可編程 I/O、可編程布線資源。可編程邏輯塊是 FPGA 可編程的核心,我們上面提到的三種技術也是針對可編程邏輯塊的技術。
FPGA的結構
主要由邏輯單元、可編程輸入輸出單元(I/O)和內部連接線(Interconnect)即可編程布線資源等 主要三部分構成。
Xilinx的邏輯單元基本組成為可配置邏輯模塊(CLB),而Altera的為LAB,但更深一層講,CLB和LAB裡面也都是由LUT、觸發器等構成的
FPGA技術優勢
許多人知道FPGA很高端,但是它高端在哪裡呢?優勢在哪?
單片機功能是很強大的,而FPGA與之相比只強不弱。因為只要單片機能實現的功能,FPGA 就一定能實現,當然這需要加一個大前提——在 FPGA 資源足夠多的情況下。但是 FPGA 能實現的功能,單片機卻不一定能夠輕鬆實現。
根據性能和資源的不同,FPGA 的價格也存在很大差異,單枚 FPGA 晶片的價格從幾元到幾萬元不等。而單片機與FPGA相比,在價格方面卻遠低於 FPGA,同樣的功能我們如果可以用價格低廉的單片機實現,就不會選擇相對昂貴的 FPGA 了,除非單片機滿足不了功能需求。
所以這也是為甚FPGA功能更強大,卻是單片機使用的市場更廣泛的原因。
FPGA 的應用場景雖然沒有單片機和 ARM 這麼多,但是對單片機和 ARM 無法解決的問題。比如要求靈活高效、高吞吐量、低批量延時、快速並行運算、可重構、可重複編程、可實現定製性能和定製功耗的情況,這些工作只能由FPGA承擔。
因此,FPGA 通常在數字信號處理、視頻處理、圖像處理、5G 通信領域、醫療領域、工業控制、雲服務、加速計算、人工智慧、數據中心、自動駕駛、晶片驗證等領域發揮著不可替代的作用。
FPGA應用方向
FPGA 介於軟體和硬體之間,用它做接口、做通信,它就偏向硬體;用它做算法、做控制,它就偏向軟體
FPGA 最初的應用領域是通信領域,但是隨著信息產業和微電子技術的發展,FPGA 技術已經成為信息產業最熱門的技術之一,由於其自身的可編程特性, FPGA 成為了眾多不同的市場的理想選擇,其應用範圍場景也隨之擴大,如- 航天航空及軍工- 用於實現圖形處理、波形生成和 SDR 部分重配置的抗輻射 FPGA 與 IP 核
- 工業控制-包括工業成像及監控、工業自動化運動控制和醫學成像設備等應用,實現更高的靈活性、更快面向市場時間和更低成本
- 視頻圖像處理-包括視頻矩陣,廣告屏,投影儀等,實現視頻圖像採集、視頻圖像傳輸和視頻圖像編解碼等應用需求
- 消費類電子-高性價比,低功耗,如數字平板顯示器、手機、可穿戴、機頂盒等
- 數據中心-用於服務器中,實現高速寬帶服務的網絡存儲
- 新能源存儲-實現其逆變器中的控制模塊功能和通信功能
京微齊力(北京)科技股份有限公司
京微齊力(北京)科技股份有限公司總部設於中國北京,在中關村設有研發中心;在上海、深圳設有分公司,在青島、武漢等地有技術支持,市場銷售及研發團隊。京微齊力是國內最早進入自主研發、規模生產、批量銷售通用FPGA晶片及新一代異構可編程計算晶片的企業之一。
擁有超200件專利,具備獨立完整的自主智慧財產權,涵蓋FPGA內核設計、SOC架構設計、晶片開發、EDA軟體開發、IP開發與集成等全棧技術領域。
京微齊力產品將FPGA與CPU、MCU、Memory、ASIC、AI等多種異構單元集成在同一晶片上,實現了可編程、自重構、易擴展、廣適用、多集成、高可靠、強算力、長周期等特點,為用戶提供高性價比的系統解決方案。
京微齊力產品分為四個系列
1) 山系列 HME-M:
1K~12K邏輯單元FPGA,集成高速MCU內核,速度可達200Mhz,含豐富外設接口 ,USB、CAN、DDR控制器,在同規格競品中BOM成本具備競爭力。
市場領域:工控、LED顯示、智能家居
HME-M5
圖片來源 : 引用 京微齊力官方資料
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HME-M7
圖片來源 : 引用 京微齊力官方資料
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2)河系列 HME-R:
1.5K~3K邏輯單元FPGA,低功耗、低成本、高性價比,靜態功耗低至uA,40nm低功耗工藝,最多可提供80對LVDS IO供用戶配置,且有多種小封裝可選。
市場領域:消費、手機屏顯、智能終端
HME-R
圖片來源 : 引用 京微齊力官方資料
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3)大力神系列 HME-H:
1.5K~20K邏輯單元FPGA,高性價比、低功耗、高性能、高速MIPI,集成2個4-Lane 1.5G MIPI D-PHY和收發控制器,含大量SRAM,適合處理各種MIPI橋接和Scaling算法。
市場領域:消費、手機屏顯、AR/VR、智能終端、工業控制
HME-H1
圖片來源 : 引用 京微齊力官方資料
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HME-H3
圖片來源 : 引用 京微齊力官方資料
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HME-H7
圖片來源 : 引用 京微齊力官方資料
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4)飛馬系列 HME-P:
20K~500K邏輯單元FPGA,是高性能,大容量的FPGA,為高性能LUT6架構,有高達6.5G bps Serdes高速I/O口,硬核PCIE Gen1/Gen2。
市場領域:安防、工控、電力、視頻、通信
HME-P0
圖片來源 : 引用 京微齊力官方資料
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HME-P1
圖片來源 : 引用 京微齊力官方資料
EDA設計工具-Fuxi福晞
Fuxi設計套件為片上可編程SoC與FPGA開發提供了強大易用的開發環境。用戶通過使用Fuxi完整的EDA工具鏈和豐富的IP資源,可以有效的進行快速的應用研發,縮短產品開發周期。同時Fuxi用戶友好的交互式集成開發環境可以支持多種廣泛使用的第三方設計工具進行協同設計,從而進一步加速用戶的設計與驗證過程。
- 從2005年開始研發
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以下是我們的聯絡方式:1. PM端:jemon.wu@wpi-group.com
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