FPGA vs ASIC对比

现场可编程门阵列 (FPGA) 是一种可编程逻辑设备，其内部配置可以通过软件或所谓的“固件”设置。

这使得 FPGA 功能可以根据需要进行更新甚至完全改变，因为 FPGA 固件在电路中更新。

FPGA 可编程逻辑组件（或称逻辑块）可以由逻辑门、存储器元件或存储器块等几乎任何元素组成。

这提供了相当程度的灵活性。

FPGA 应用

FPGA 的可重构特性意味着它可用于多种不同的应用。

FPGA 用于需要复杂逻辑电路和系统的许多不同领域—从各种逻辑电路到高性能处理器。

ASIC 原型设计：ASIC 或专用集成电路通常用于大批量生产，但开发成本非常高，而且更改非常昂贵且耗时。一旦制造出 ASIC 芯片，其功能就固定了。此外，ASIC 芯片通常非常复杂，为了确保功能正确，通常在开发甚至早期生产期间使用 FPGA 代替 ASIC 芯片，直到所有问题都得到解决。

软件定义设备：如今，设备越来越倾向于软件定义，例如软件定义无线电，这一概念已广泛应用于许多技术领域。软件定义测试设备也正得到越来越广泛的应用—测试仪器的功能可以根据需要进行修改。

数字信号处理 (DSP)：FPGA 能够高效地实现复杂算法，因此非常适合信号滤波、调制和数据压缩等应用。与其他形式的逻辑相比，FPGA 的速度非常快，因此非常适合此类应用。FPGA 还具有可重新配置性，因此非常适合用于软件定义无线电，可以根据不断变化的需求进行重新配置。

高性能计算 (HPC)：FPGA 可用作 HPC 系统内的加速器来卸载特定任务，从而提高整体性能。

嵌入式系统：由于体积小、功耗低，FPGA 可以集成到嵌入式系统中，满足定制逻辑和实时处理需求。

医学成像：FPGA 内的可重构逻辑支持医学成像应用中的实时图像处理和数据分析。

网络：FPGA 可用于网络设备，执行数据包处理和流量管理等任务。

FPGA 与 ASIC

通常可以看到 FPGA 和 ASIC 具有比较相似的功能，即在电路内提供大量特定的逻辑功能。

然而，ASIC 和 FPG 之间存在显著差异，这意味着它们用于不同的领域。

虽然 FPGA 具有许多优点，但自然也存在一些缺点。它们比同等的 ASIC（专用集成电路）或其他同等 IC 速度慢，而且价格更昂贵。（然而，相比之下，ASIC 的开发成本非常高）。

这意味着是否使用基于 FPGA 的设计应在设计周期的早期做出选择，并且取决于芯片是否需要重新编程、是否可以在其他地方获得同等功能以及当然允许的成本等因素。有时制造商可能会选择 FPGA 设计早期产品，因为那时可能仍会发现错误，然后在设计完全稳定时使用 ASIC。

FPGA 在许多应用中都有使用。考虑到成本，它们不用于廉价的大批量产品，而是用于可能需要复杂逻辑电路且可能发生变化的各种领域。FPGA 应用范围广泛，从视频和成像设备到航空航天和军事应用电路，以及用于专业处理的电子设备等等。

FPGA固件开发

由于FPGA和ASIC各自的特点，FPGA往往用于开发和小批量生产，而ASIC往往用于性能较高、大批量时总体成本较低、性能较快。

FPGA 的一大优势是芯片完全可编程，并且可以重新编程。这样，它就变成了一个大型逻辑电路，可以根据设计进行配置，但如果需要更改，可以通过更新重新编程。

因此，如果制造了电路板并且包含 FPGA 作为电路的一部分，则会在制造过程中对其进行编程，但稍后可以重新编程以反映任何变化。

FPGA 内部结构

FPGA 的内部架构是其灵活性的关键，也是其成功的关键。FPGA 本质上由两个基本元素组成：

通用逻辑块 (CLB)：这些是 FPGA 内的基本逻辑单元。它们包含逻辑门阵列（AND、OR、NOT 等）和触发器（存储元件），可以以各种配置互连。

FPGA 中的逻辑块可以以多种方式实现。实际实现取决于制造商以及所使用的 FPGA 系列。变化包括输入和输出的数量、逻辑块在电路方面的一般复杂性以及使用的晶体管数量。这自然会影响芯片上占用的面积，从而影响使用的硅片尺寸。

FPGA 内部路由和可编程互连：FPGA 内的路由通道由可使用电配置开关互连的线路组成。这样，可以将芯片上的不同点连接在一起，从而以所需的任何方式连接不同的公共逻辑块。

输入/输出 (I/O) 块：这些接口将 FPGA 连接到外部世界，允许其接收数据并发送处理后的信息。

FPGA固件开发

由于 FPGA 是可配置逻辑阵列，因此需要设置逻辑以满足系统的要求。

鉴于FPGA的复杂性，通常使用软件来设计FPGA的功能。FPGA设计过程由用户提供硬件描述语言（HDL）定义或原理图设计开始。

常见的HDL有VHDL（其中VHDL代表V HSIC H ardware D escription Language）和Verilog。

完成此操作后，FPGA 设计流程中的下一个任务是针对所使用的特定 FPGA 系列生成网络表。该网络表描述了 FPGA 内所需的连接性，并使用电子设计自动化工具生成。

然后可以使用称为布局布线的过程将网表安装到实际的 FPGA 架构中，该过程通常由 FPGA 公司的专有布局布线软件执行。

最后，将设计提交给 FPGA，并可用于其所需的电子电路板。

FPGA 测试

鉴于其复杂性，必须对 FPGA 设计进行严格的测试。这种测试通常在 FPGA 开发过程的每个阶段进行。

它包括功能模拟和其他验证方法，但其中一个关键问题可能是时序问题，因为基本逻辑的大小和复杂性可能意味着出现时序问题。

一旦设计和验证过程完成，生成的二进制文件（也使用 FPGA 公司的专有软件）用于配置 FPGA 设备。

FPGA 工具

用于开发和测试 FPGA 的工具有多种来源。显然，制造商能够提供许多 FPGA 开发工具，但还有许多其他来源提供第三方 FPGA HDL 综合、FPGA 物理综合和验证工具。这些包括实际开发和 FPGA 测试的各个阶段。