FPGA基本概念
1 什么是FPGA
FPGA，英文全称Field-Programmable Gate Array，翻译成中文即现场可编程门阵列。它是一种主要以数字电路为主的集成芯片，属于可编程器件的一种。
FPGA内部集成了大量的逻辑资源，如 CLB（可配置逻辑块）、IOB（输入输出块）、PIF（可编程互联资源）以及专用硬核IP（知识产权核如 BlockRAM、PLL、DSP、SerDes等），通过加载特定的配置文件（称为“位流文件”或Bitstream），使其执行用户想要的任何逻辑功能。例如实现一个处理器、一个复杂的信号处理单元、或者各种通信接口等。
FPGA 就像是一块数字电路的“数字乐高积木”，通过组合其内部资源结构和互联关系，可以搭建出想要的“数字城堡”。
FPGA 作为 ASIC（Application Specific Integrated Circuit，专用集成电路）领域中的一种半定制电路出现，既解决了定制电路缺乏灵活性的不足，又克服了原有可编程器件门电路数容量过小的缺点，因此得到了广泛的应用。
2 FPGA的应用场景
| 应用场景 | 描述 |
|---|---|
| 通信接口 | 以太网、PCIe、USB、HDMI等。 |
| 图像处理 | 图像增强、图像去噪、图像分割等。 |
| 信号处理 | 滤波、FFT、DSP等。 |
| 控制 | 电机控制、机器人控制、自动化控制等。 |
| ASIC原型验证 | SoC流片前功能验证。 |
| 其他 | AI推理、加密解密、数据压缩等。 |
3 FPGA的特点
- 灵活性和可重构性 (Flexibility & Reconfigurability)：FPGA可以随时修改设计、修复 Bug 或升级功能，只需重新编程即可，无需更改硬件。非常适合需求快速变化、标准演进或需要现场更新的应用。
- 高密度并行处理能力 (Parallelism)：FPGA 的硬件特性使其能够实现真正的并行计算。可以设计多个处理模块同时独立运行，这对于需要高吞吐量的数据处理（如信号处理、图像处理、网络包处理）非常高效，远超通用处理器通常的顺序执行模式。
- 高性能 (High Performance)：对于特定任务，通过硬件实现可以达到非常高的处理速度和低延迟，因为逻辑是直接用硬件门电路构成的，而非执行软件指令。
- I/O 灵活性：提供大量可配置的 I/O 引脚，可以支持多种不同的电气标准和接口协议。
总结：FPGA在灵活性、并行处理能力、高性能、I/O 灵活性等方面具有优势，非常适合需要快速开发、高吞吐量、高性能、灵活接口的应用场景。
4 FPGA和其他计算设备（MCU/CPU/GPU/ASIC）的区别
| 计算设备 | 特点 | 核心功能 |
|---|---|---|
| MCU | 基于软件执行，执行存储在内存中的软件指令。主要用于控制和数据处理，通常具有较低的计算能力，但功耗低、体积小、成本低。 | 控制和数据处理 |
| CPU | 基于软件执行，执行存储在内存中的软件指令。主要用于通用计算，具有较高的计算能力和较强的多任务处理能力，但功耗高、体积大、成本高。 | 通用计算 |
| GPU | 主要用于图形处理，具有较高的计算能力和较强的并行处理能力，但功耗高、体积大、成本高。 | 图形处理 |
| ASIC | 基于特定应用定制设计的集成电路。主要用于需求稳定、功能固定、产量极大（如消费电子产品中的芯片、手机处理器、网络交换芯片等），且对性能、功耗、成本有极致要求的应用。 | 特定应用 |
| FPGA | 提供一个可编程的硬件平台。主要用于灵活性和可重构性，具有较高的计算能力和较强的并行处理能力，但功耗高、体积大、成本高。 | 灵活性和可重构性 |
FPGA和CPU对比：
CPU采用如下图所示的冯·诺依曼计算架构（核心思想是将程序指令和数据统一存储在同一存储器中，计算机通过从该存储器中读取指令和数据来执行任务）
控制单元通过从内存中取出的指令驱动，引导输入数据流经处理器的寄存器与逻辑单元，最终生成输出结果。数据通路、指令集、寄存器数量及内存接口均在 CPU 制造时固化，这些均属于处理器的固有特性，无法在后期进行定制修改
与 CPU 架构截然不同，FPGA 具备高度灵活可配置的逻辑与数据通路。这种能力源自其基于位操作、精细粒度的架构模型。要深入理解 FPGA 的运作机制，掌握其基础计算单元至关重要。虽然现代 FPGA 包含丰富多样的组件，但其核心结构是由大量可重复配置的可编程查找表（LUT）、触发器（寄存器）以及可编程互连线路构成的阵列，正如下方图示所示：
