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Xilinx Artix-7 FPGA快速入門、技巧與實例連載5——FPGA應用領域 更多資料共享 鏈接：https://share.weiyun.com/53UnQas 
FPGA目前雖然還受制于較高的開發門檻以及器件本身昂貴的價格，應用的普及率上和ARM、DSP還是有一定的差距，但是在非常多的應用場合，工程師們還是會別無選擇的使用它。FPGA所固有的靈活性和并行性是其他芯片所不具備的，所以它的應用領域涵蓋得很廣。從技術角度來看，主要是有以下需求的應用場合。 ● 邏輯粘合，如一些嵌入式處理常常需要地址或外設擴展，CPLD器件尤其適合。今天已經少有項目會選擇一顆FPGA器件專門用于邏輯粘合的應用，但是在已經使用的FPGA器件中順便做些邏輯粘合的工作倒是非常普遍。
圖1.20邏輯粘合 如圖1.21所示，這是一個真實的案例，一顆TI的DSP處理器，需要將它的EMIF（External Memory Interface）連接3顆雙口RAM芯片，既有的EMIF肯定無法滿足要求，因此中間使用了一顆FPGA作為“橋接”，有效的將地址和數據總線做擴展。
圖1.21基于CPU外設擴展的邏輯粘合應用 ● 實時控制，如液晶屏或電機等設備的驅動控制，此類應用也以CPLD或低端FPGA為主。
圖1.22實時控制 電機和電動控制器在工業設備中應用廣泛。當您走進任何一家工廠，您會發現千差萬別的機械組件之間總有一些似曾相似的感覺——這些機械都采用電機作為動力。多數電機控制系統都采用微控制器做驅動控制。然而，微控制器卻不能滿足復雜電機控制算法的性能需求，如直接轉矩控制（DTC）或無傳感器磁場定向控制（SFOC）。過去，曾經使用數字信號處理器（DSP）克服這個問題，但當涉及高性能時，其成本效益通常無法與FPGA匹敵。使用單顆FPGA器件，便可搭建一個復雜的、可伸縮的、高性能的電機控制系統。
圖1.23工業現場實時控制應用 ● 高速信號采集和處理，如高速AD前端或圖像前端的采集和預處理，近年來持續升溫的機器視覺應用也幾乎是無一例外的都使用了FPGA器件。
圖1.24 高速 如圖1.25所示，諸如此類的應用，其硬件系統大體如此。前端有ADC做數據轉換，FPGA做實時轉換控制和數據采集，同時進行必要的前端數據處理、編碼或壓縮，DDR3或DDR4高速存儲器做緩存，最終通過USB、以太網、PCIe等接口將數據傳輸到后端。圖像采集的應用也與此相似，只要將ADC部分更換為圖像傳感器即可。
圖1.25 高速采集處理應用 ● 協議實現，如更新較快的各種有線和無線通信標準、廣播視頻及其編解碼算法、各種加密算法等，諸如此類小批量、定制化、更新換代頻繁的應用使用FPGA比ASIC更有競爭力。
圖1.26無線通信基站的協議實現 如圖1.27所示，電視廣播站采用串行數字接口（SDI）作為傳輸協議標準，在同軸電纜上傳輸無壓縮的數字視頻。每次視頻圖像質量改進，該標準往往都要擴容。最新的標準為3G-SDI。伴隨著這些變化， FPGA便成為其最佳的解決方案，FPGA解決方案提供核心收發器，能夠在同一臺收發器上，不更改板級硬件電路的前提下，升級FPGA代碼版本以兼容所有三種 SDI 速率（SD SDI、 HDSDI 以及 3G-SDI）。
圖1.27SDI編碼器應用 此外，演播室內往往也還有其他許多的升級要求。例如新的數字技術能夠幫助剪輯視頻流、改進或修正畫量，以及壓縮圖像，以供電纜或衛星線路傳輸。最新的壓縮標準 H.265（也被稱為“高效視頻編解碼標準”）極大減少了影視節目的編碼位數。但是，該標準需要海量計算。許多設備供應商都發現，一邊要把功能打包到一個片上系統，一邊又要解決快速發展產生的時間壓力，多種需求的重合，FPGA無疑又是最佳的解決方案。 ● 各種原型驗證系統。由于工藝的提升，流片成本也不斷攀升，而在流片前使用FPGA做前期的驗證已成為非常流行的做法。
圖1.28原型驗證 ● 并行計算。過去傳統的CPU計算受限于其串行順序處理的架構，已經很難適應今天的云計算和數據中心對大數據運算的需求了；而GPU雖然在并行處理以及所使用的高級編程語言上有不小的優勢，也在過去一段時間內成為了此類應用的主流方案，但也受限于極高的成本和功耗代價；相比之下，單位功耗性能是GPU的3~4倍的FPGA則大有取而代之之勢。
圖1.29并行計算 高性能計算（HPC）市場是如今增長最為迅速的計算領域。在金融、醫學成像、生物科學、軍事以及許多其它很多需要高性能計算的領域，都能夠受益于FPGA器件的并行性所帶來的性能提升。想象一下金融市場，以及那些在不同地點傳輸的、令人難以置信的貿易、預測和價格計算數據。在這些交易中，哪怕是不到一分錢的占比都有重要的意義，因此高速、精確的浮點算術絕對必要。在高性能計算里，浮點是數字表示法，用一系列數字或數位表示真實數字。應用程序需要浮點數據類型，以獲得比整數計算更為精確的計算結果。浮點運算需要更多的處理器邏輯，因此也需要更多的并行處理。如今的中高端FPGA器件都標配DSP處理單元，甚至能夠以硬浮點的形式出現，加之FPGA器件天生的并行性，拿下高性能計算這塊大肥肉自然不在話下。 ● 片上系統，如Altera公司的SocFPGA和Xilinx公司的Zynq，這類FPGA器件，既有成熟的ARM硬核處理器，又有豐富的FPGA資源，大有單芯片一統天下的架勢。
圖1.30ZYNQ架構的嵌入式系統 當然了，若從具體的行業細分來看，FPGA在電信、無線通信、有線通信、消費電子產品、視頻和圖像處理、車載、航空航天和國防、ASIC原型開發、測試測量、存儲、數據安全、醫療電子、高性能計算以及各種定制設計中都有涉獵。總而言之，FPGA所誕生并發展的時代是一個好時代，與身俱來的一些特性也注定了它將會在這個時代的舞臺上大放光彩。
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