浅析fpga的应用领域论文，浅析FPGA的应用领域

很多朋友对浅析fpga的应用领域论文，浅析FPGA的应用领域不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

FPGA最初的应用领域也是传统的应用领域——通信领域。然而，随着信息产业和微电子计数的发展，FPGA的应用范围已扩展到航空航天、汽车、医疗、工业控制等领域。下面介绍FPGA在视频图像处理、通信领域、数字信号处理等四个方面的使用。

1、视频图像处理领域

由于视频图像处理所需的数据量不断增加，视频图像处理是多媒体领域的热门技术。基于这些大量的数据，可以分为两类：视频编解码和目标识别。

1.1 视频编解码器

从通道容量的角度来看，考虑数据传输带宽、图像如何压缩、采用什么算法等都比较成熟。目前使用的视频编解码器有数百种，但常用的只有少数。

MPEG-2

例如，非常古老但仍在使用的MPEG-2主要用于编码广播信号和DVD电影。不过，随着高清DVD逐渐采用VC-1和H.264标准进行编码，MPEG-2将逐渐退出。

MPEG-4

与MPEG-2相比，它可以以较低的速率传输视频，同时保持相同的图像质量。它引入了新的概念，例如描述自然或合成对象来组成场景并支持用户交互，为视频节目制作者提供改进的内容保护功能以及创建更灵活、可复制内容的能力。这些优点使其广泛应用于卫星视频传输。

H.264

它实际上是MPEG-4 的第十部分，主要因其高数据压缩率和质量而受欢迎。

还有一些算法，例如JPEG。

1.2 目标识别

目标识别主要是提取相关信息，如图像边缘提取，并结合人工智能的一些知识。相对而言，它仍处于快速发展阶段，也是图像处理研究的前沿。尤其是运动目标检测与跟踪技术广泛应用于机器人视觉、交通检测、机器导航等民用领域。它还在火力拦截、导弹电视、红外视频制导等军事应用中发挥着重要作用。

可识别的视频行为包括六类检测：突然入侵、移动物体、移动路径、遗留物体、指向和接近、移除物体。试想一下，这种视频检测技术也应该可以应用在高铁列车上。列车车头应该能够检测到前方一定范围内是否有车辆。当然，这绝对不在视野之内。采用雷达或其他检测手段，但必须有视频图像传输和识别引导系统。原因这里就不说了，但是既然发生了这样的追尾事件，我们的视频检测引导还有很多需要改进和努力的地方。

有人会说，不是有专门的视频处理DSP设备吗？ DSP书上说是这么做的，FPGA也说是这么做的。哪一个做的？似乎有吹牛的嫌疑。传统上采用DSP进行处理，但我们列出的算法和应用的计算性能要求已经远远超出了传统DSP处理器的能力。即使使用高端的DSP处理器，如果单独使用DSP来做这部分是绝对可以的，但是在应用中，DSP做的事情更多。此时，FPGA可以作为协处理器来承担对性能要求较高的处理工作。与标准DSP处理器相比，FPGA架构的并行计算特性可以支持更高的采样率和更大的数据吞吐能力，同时还提供更高的计算效率。

1.3 图像处理支持资源

(1)相关IP核

Xilinx 和ALTERA 均提供视频IP 核套件，用于视频监控系统中视频和图像处理算法的快速设计、仿真、实现和验证，包括用于设计的基本原语和高级算法。

CCM、CFA 插值、DPC：

伽玛校正

等待大量IP资源。

2、通讯领域

通信领域是FPGA应用的传统领域，目前仍然是FPGA应用和研究的热点。这里，无线通信领域分为有线通信领域和无线通信领域。

2.1 有线通讯

有线通信，顾名思义，是一种利用电缆来传输信号的通信方式。电缆可以指金属线、光纤等有形媒体传输方式，信号可以指声音、文字、图像等。有线通信的另一个名称是固定网络。我们必须相信，很多进步都是由伟大的愿望推动的。在短短十几年的时间里，整个世界已经通过一个叫做互联网的网络连接起来。这是有线通信的最大例子。当然，有线通信的例子包括一些我们所能得到的最接近的有线网络，例如最初使用的固定电话网络和有线电视网络。它们在维护和保证这些网络给我们带来幸福的同时，也在无形中促进了一些技术的产生，包括交换机、路由器、防火墙、网关、数据收发器、高速接口等网络设备的发展。有线网络的网络质量直接决定于这些网络设备的完善程度。当年从事网络设备的中兴、华为，如今已成为该领域的巨头。有线网络已经发展了十多年。虽然它们在今天已经比较成熟，但仍然充满着巨大的挑战和影响。电信市场正在经历新一轮整合发展，互联网需求持续驱动行业发展。创新。当前，家庭视频和先进商业服务业务的快速发展对全球电信网络的带宽提出了更大的挑战。这一挑战始于网络接入边缘，并直接延伸到城域网和核心网。针对上述需求，运营商正在追求更高的端口速率，包括40Gbps SONET（OC-768和OTU3）和40G以太网。越来越多的运营商瞄准100G 端口速度。商业和经济发展迫切需要可扩展、灵活且经济高效的技术解决方案，以满足电信行业不断变化的需求和标准。为了跟上这些变化并加速超高带宽系统的部署，有线通信设备制造商正在从传统的专用集成电路(ASIC) 和现成(ASSP) 芯片转向可编程硬件平台和IP解决方案。

2.2 无线通讯

在有线通信的基础上，为了使传输更加方便、更加远，无线通信技术正在以前所未有的速度发展。无线发射器、BB机、手机是我们很早就使用的无线通讯终端，而我们现在使用的2G、3G手机足以说明发展之迅速。无线系统通信类型可分为微波通信系统、无线寻呼系统、蜂窝移动通信、无绳电话系统、集群无线通信系统、卫星通信系统、分组无线网络等典型通信系统。其中，移动通信技术风靡全球。它获得了广泛的应用，从第一代以模拟系统为特征的系统到当今以频分复用接入（OFDMA）和多输入多输出（MIMO）为特征的第四代数字系统。其性能要求越来越高的是数据服务。

为了满足我们的高数据速率服务，对宽带无线接入技术的需求不断增加。这就需要一个灵活的硬件平台，能够提供更宽的处理带宽，并具有及时推出产品的优势来满足这些需求。需要。以上是对未来无线通信应用中FPGA需求的总体考虑。详细设计了标准通信系统的各个模块。标准数字通信系统框图如下：

从图中分析信息源、信息宿、信息源编解码。信道编码和解码一般属于基带。调制可分为一次调制和二次调制。通过一次调制将信号调制到中频，通过二次调制将信号调制到中频。射频调制到可以发射的程度。

基带涉及到如何对信号进行采样和量化；各种信源编解码算法，如简单等长码、复杂变长码等。典型的就是霍夫曼码。对于图像数据，如MEPG-2、H.264等；信道编解码算法分为线性分组码、循环码、BCH码、卷积码、校正码、交织、Turbo码等，其中RS码、LDPC码和交织等信道相关处理。

调制过程中采用的这种调制方式，无论是调频、调幅还是调相，调相是采用QPSK还是效率更高的NQPSK，以及相应的解调处理；还包括系统中这些功能模块的数据传输通信接口协议，低速的包括典型的RS232，高速的包括100M千兆以太网、千兆IO、光纤等。从上面的分析来看，可见，按理说，FPGA在通信系统领域的使用虽然传统，但仍然很流行，需要大家的努力去集成。

2.3 通信领域支撑资源

由于FPGA在通信领域的成熟，无论是哪家FPGA厂商，都对通信领域的IP有丰富的支持。这里展示了Xilinx和Altera两大巨头在该领域支持的IP。具体IP核功能描述可参考附录XX。

AlteraIP：略

3.数字信号处理领域

数字信号处理(DSP)。我们最初使用的系统都是模拟系统，比如第一代移动通信系统和最初的模拟电视，还是黑白的。随着数字时代的到来，许多模拟系统和模拟产品已经转向数字化。手机也已经配备了模拟接收器，并开始转向第二代移动通信系统。与模拟系统相比，数字系统具有以下优点：

(1)抗干扰性强； (2)方便进行各种数字信号处理； (3)易于实现集成； (4)经济效益超过模拟通信。 (5)传输和交换可以结合起来，传输电话呼叫和数据传输，也可以结合起来，形成一个统一体，有利于实现综合业务通信网络； (6) 促进复用；

3.1 数字处理系统模型

虽然数字系统有这些优点，但是我们实际的传输过程仍然是模拟信号，包括最初的信号源和最终传输的信号都是模拟信号。因此，如果我们想要进行数字处理，就必须使用两个设备来连接我们的模拟世界和数字世界。这两个器件是模数转换器ADC和数模转换器DAC。我们可以得到一个典型的数字信号处理模型，如图所示。

模数转换器ADC 定期对输入模拟信号进行采样并对其进行量化。事实上，ADC由采样保持和量化编码器组成。采样需要满足奈奎斯特采样定理。采样位宽和采样率决定了后期数字信号处理的精度。对数字数据进行采样后，DSP 处理开始。不同的应用需要不同的处理算法和流程。目前，数字信号可以做的事情可以在表中列出。

从表中可以看出，几乎所有的数字系统和产品应用都涉及数字信号处理，包括我们前面提到的通信领域和视频图像处理领域相关的应用。同时，表中列出了通用领域的一些算法，这些算法在数字信号处理中更加通用和具体。经过数字信号处理后，结果仍然是数字信号。数模转换器DAC会模拟这些数字信号并将其发送出去。在通信过程中，这种处理通常是在射频或中频下完成的。

3.2DSP实现方法

说到数字信号处理的实现，很多人首先想到的就是数字信号处理器，也就是我们的硬件DSP。是的，它专门从事数字信号处理，但除此之外，实际上还有几种方法可以进行数字信号处理。所以在本节的开头，我们提到这里需要区分数字信号处理。 DSP和数字信号处理器DSP，以免心里有这样一个纠结的问题影响本节的学习。

除了专用硬件DSP外，通用微处理器、专用ASIC硬件、专用FPGA也可以进行数字信号处理。我们来一一分析。

通用处理器

第一种是通用微处理器，也称为中央处理单元（CPU）或微处理器（MPU），它可以通过在处理器中运行适当的DSP算法来执行DSP任务。尤其是近年来非常流行的GPU，这种处理器专门从事图像处理。它使用许多处理器并行操作。它在数字图像处理方面相当专业。一般在一些高端显卡上都会配备。有一个GPU。

专用集成电路硬件

第二个是专用ASIC 硬件。这块主要是用于执行DSP任务的定制硬件实现。相对而言，实现的功能比较单一，只能实现定义的功能。这类器件包括数字滤波器芯片、数码相机中专用的图像处理芯片等。但优点是功能经过充分验证和优化后，做成ASIC，运行非常稳定，速度也快。非常快。

专用数字信号处理器（DSP处理器）

第三种是专用数字信号处理器，它是一种特殊的微处理器芯片，专门设计用于比通用微处理器更快、更高效地执行DSP任务，并且比专用ASIC更灵活。那么它有什么特别之处呢？在我们上一节列出的DSP算法中，一个共同点是它们需要大量的乘法和加法来完成。无论多么复杂的算法，都是由很多这样的乘法和加法组成的。如果乘法是使用硬件中的逻辑构建的，那么它在面积或速度性能方面并不理想。在通用微处理器中，即使有硬件乘法器，数量也是有限的。对于复杂的算法，速度表现仍然不好。因此出现了像硬件DSP这样具有大量乘法累加结构的处理器，这就是它的特殊之处。

缺点：虽然是专门从事数字信号处理的设备，但仍然存在问题。其开发仍然基于串行任务队列的软件模型开发，效率和灵活性仍然有限。

专用FPGA硬件

第四种是专用FPAG 硬件。我们刚才提到的DSP算法的一个共同特点是大量使用乘法和加法运算。如果你想做好DSP算法，你确实需要这些乘法和加法运算。硬件支持。细心的读者会发现，这里所说的是专用FPGA硬件，与前面FPGA原理中提到的各种FPGA没有太大出路。只不过是在其中添加了这些专用的FPGA用于DSP而已。硬件相乘相加，如图

DSP专用硬件

使用FPGA进行数字信号处理的优点在于，它是完全基于硬件的并行编程操作，在改变速度和面积方面具有很大的灵活性。在下一节中，我们将通过一个示例来了解它。反映。

3.3 FPGA用于数字信号处理的优势

下面是DSP 处理的乘法和加法的最基本示例。实现的算法表达式如下：

Y=(A1*A2) +(A3*A4)

利用FPGA的并行机制，假设乘法器全部并行工作，我们得到的电路实现如下图所示。从图中我们可以看出，该方法的执行时间相当于实现一个乘法器和一个加法器的时间。它非常快，但它消耗两个乘法器和一个加法器。

由于FPGA的编程灵活性，我们还可以利用资源共享的方式获得串行实现电路。

如图所示，它消耗了两个2 对1 多路复用器、一个乘法器、一个加法器和一个触发器。虽然多了两个2选一多路复用器和1个触发器，但这一资源相对于乘法器的资源来说节省了不少。但它的速度已经减慢了。它是通过切换Sel 来控制的。它首先将A1和A2相乘，结果保存在时钟驱动的寄存器中。然后翻转Sel，然后将A3 和A4 相乘。结果与上次运行相同。将寄存器中存储的结果相加，并在第二时钟驱动下存储最终结果。以这种方式共享乘法器比第一种情况要慢，好处是可以节省面积。但需要提到的是，即使是这样的共享实现也会比DSP专用芯片的软实现更快。

相比之下，可以得出结论，使用专用FPGA作为DSP不仅可以灵活调整速度和面积，而且至少实现速度仍然比专用DSP快。通常，在许多情况下，专用DSP的使用仍然蓬勃发展。原因之一是我们专用FPGA的DSP资源不是很丰富。第二个原因是专用DSP的开发采用软件开发，而FPGA则采用硬件开发。对于开发来说，很多工程师还是会选择前者。第三个原因是成本问题。毕竟，传统的专用DSP芯片比专用FPGA芯片便宜。

3.4 DSP支持资源

各个FPGA厂商对于数字信号处理都有比较强的资源支持。这包括上面提到的通信领域和图像处理领域提供的支持资源，包括相关IP核、相关工具和一些参考设计解决方案。这里我们不再重复，只是做一些补充。

4.嵌入式领域

传统的控制系统在微处理器的控制下执行各种控制和数据处理应用，包括微控制器、ARM、PowerPC等。随着FPGA的广泛使用，越来越多的系统使用FPGA作为高速数据接口来粘合和执行一些协同处理。微处理器+FPGA的片上系统架构已经出现。通常这样的架构是在单板上设计的，如下图所示：

单板系统

从图中可以看出，除了微处理器之外，还有DSP设备、FLASH和SDRAM存储器。系统安排CPU做总体控制，FPGA做一些接口逻辑粘合和一些信号预处理，DSP做复杂的算法，FLASH和SDRAM分别作为程序存储和数据缓存。这样的系统布置在一块或几块PCB板上，不仅调试困难，而且系统维护也不方便。关键问题是，如果电路板上有这么多器件，成本就是问题，而且占用相当大的面积，增加大量焊点。每个焊点都会对电路的稳定性构成威胁。

因此，提出了基于FPGA的片上系统的替代方案，如图

FPGA嵌入式DSP和CPU

FPGA内部集成了CPU、DSP和各种接口控制模块。对于一些存储需求较小的系统，甚至集成了外部FLASH和SDRAM。这个想法会带来什么挑战和机遇？这是我们下一步需要探讨的问题。

4.1 创新挑战与机遇

传统的嵌入式开发完全是纯软件的形式。在FPGA平台上，首先要面对的是FPGA如何规划，用什么作为CPU，如何实现？事实上，该系统有硬件开发部分和软件开发部分。如何在设计时支持这种硬件开发语言和软件开发语言的混合验证，保证系统正常工作？当然，现在这些问题都已经解决了，但是我们以后可以利用这些问题来学习知识，这些问题也可以在后面的支持资源中得到解答。那么机会在哪里呢？刚才提到，首先，如果一个系统有如图所示的需求，那么FPGA嵌入式方式会占用板子面积小，焊点少，系统稳定，成本也比较低。当然，这不包括一些只需要控制器制造的一些控制系统和产品。如果纯粹用FPGA作为控制器，成本相对于微控制器和ARM来说还是有点高。这也是FPGA开发中的一个问题，但低端FPGA芯片也能支持嵌入式Processor，资源有限。当有一天FPGA的价格能够与这些微处理器持平时，这些微处理器也将面临退役。事实上，它可以灵活配置硬件外设并用于控制系统验证，这对于系统架构设计者来说非常有用。最后，对于一个工程师来说，他不仅要会硬件程序开发，还要会软件开发。对于企业来说，他们更愿意招聘这样的全能型人才。基于FPGA的嵌入式的优势只有在使用时才能真正感受到。同时，你也能感受到它的缺点。虽然搭建了硬件平台之后才开始进行软件开发，但是如果你是一个习惯了软件开发的工程师，相信这里的软件开发会极大地提高你的意志力。这种方法对软件的开发和编译过程比传统的嵌入式开发要求要快得多，这也是厂商需要改进的地方。

4.2 嵌入式支持资源

(1)硬核和软核

硬核是指由专用预定硬连线逻辑块实现的核。最好的理解就是直接将微处理器放入FPGA芯片中。目前，主流FPGA厂商都会选择特定的处理器来实现硬核。如下表所示，开发者可以在相关开发平台上直接使用这些硬核。

软核与硬核的不同之处在于，软核将一组逻辑资源块配置到微处理器中。同时还提供了许多外围设备，如定时器、中断控制器、各种内存控制器、各种通信接口驱动程序等软核。请注意，这里提到的软核包括RTL级网表和布局。布线后的LUT层级形式。需要注意的是，与硬核相比，软核速度较慢，这很容易理解，但软核更简单。如果资源允许，我们可以配置多核。这对于硬核来说是不可能的。您只能使用少数硬核。同样，主流FPGA厂商也会做软核，如表所示。 NIOS有16位和32位两种架构，分别支持16位和32位数据宽度，而MicroBlaze只有32位架构，Q90C1XX确实是一个9位微控制器。

以上知识分享希望能够帮助到大家！