谈谈你对fpga的理解,对fpga课程意义的认识

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谈谈你对fpga的理解

CPU、GPU、FPGA能力之和就是芯片的未来！

很多粉丝问我，嵌入式方向的FPGA怎么样？收入如何？

在介绍FPGA之前，先说一下当年中兴被制裁的问题。

美国前总统特朗普曾颁布禁令，原因是中兴违反了美国的某项规定，禁止美国任何外国公司向中兴出售FPGA芯片。

这时候有些年轻人会说，我见过国产FPGA芯片，用过。【通常遇到这种怀疑的时候，我一般会说:你说的对！】

后来中兴无奈妥协。美国派人入驻中兴，签了一些协议。最后恢复了原来的业务关系。

要知道CPU，GPU，FPGA的能力之和就是芯片的未来！

FPGA的门槛在芯片界首屈一指。

FPGA是一个技能聚集的行业。没有扎实的技术，很难生产出有竞争力的产品。

好了，我们来介绍一下FPGA是什么！

1.FPGA是什么？FPGA是一种硬件可重构架构。它的全英文名称是Field Programmable Gate Array，中文名称是Field Programmable Gate Array。

FPGA是一种内部结构可以通过编程改变的芯片。FPGA常年作为ASIC的小批量替代品。

同时在微软、百度等公司的数据中心大规模部署，提供了强大的计算能力和足够的灵活性。

在FPGA之前，为了实现一种新的计算机体系结构的设计思想，

需要开发一个ASIC作为原型，并在面板上安装许多笨重的IC。

然而，与这些需要巨大成本和精力的方法不同，一旦用户创建了具有多个FPGA的原型板，他就可以立即运行您设计的新架构。

此外，很容易纠正和更改规格。

要知道，流片的价格可不低！

因此，许多新的架构应运而生。因此，对可重构处理器和新型FPGA架构的研究也开始蓬勃发展。

之后，FPGA灵活的使用方式和极强的适用性在通信/图像处理领域赢得了极大的赞誉，并被应用于路由器等通信网络中的各种设备。

与ASIC的概念相反，FPGA的概念是用户可以在短时间内、低成本地得到想要的逻辑。

Xilinx公司的可编程FPGA技术是美国Xilinx公司在80年代初发明的。

XIX于1985年首次推出商用产品“XC2000”。

在过去的40年里，有60多家公司从事FPGA技术和产品的研发。

包括英特尔、IBM、AMD、TI、GE、at T、摩托罗拉、朗讯、三星、东芝、飞利浦等有实力的公司

但是大部分都是花了几个亿才失败的！

欧洲、日本、韩国等经济强国和中国、台湾省等地区还没有真正掌握自己的核心技术。

二、FPGA的应用场景FPGA是大集成电路行业的一个小领域。5G和AI为行业的增长提供了确定性，国内替代覆盖行业正在增长，国内FPGA市场即将起飞。

全球FPGA市场规模趋势及未来预测:

在5G、自动驾驶、AI的帮助下，对FPGA的需求还在逐渐增加，未来空还是非常巨大的。

1.通信领域。通信领域需要高速的通信协议处理。另一方面，通信协议一直在修改，不适合做成专用芯片。因此，功能灵活的FPGA成为了首选。

FPGA已经广泛应用于电信行业。电信标准不断变化，建设电信设备非常困难。因此，首先提供电信解决方案的公司往往占据最大的市场份额。因为ASIC制造时间长，FPGA提供了捷径。最初版本的电信设备开始采用FPGA，造成了FPGA的价格冲突。虽然FPGA的价格与ASIC仿真市场无关，但电信芯片的价格至关重要。许多年前，美国电话电报公司和朗讯制造了他们自己的FPGA，称为ORCA(优化的可配置单元阵列)，但在硅芯片的速度或尺寸方面，他们与Xilinx或Altera没有竞争优势。

2.算法领域。FPGA对复杂信号有很强的处理能力，可以处理多维信号。

3.嵌入字段。用FPGA搭建一个嵌入式底层环境，然后在上面写一些嵌入式软件，事务性的操作比较复杂，FPGA的操作比较少。

4.目前在安防监控领域，CPU很难做到多路处理，只能检测分析，但通过增加FPGA就可以轻松解决，尤其是在图形算法领域。

5.在工业自动化领域，FPGA可以实现多路电机控制。目前，电机功耗占全球能源消耗的大部分。在节能环保的趋势下，未来将采用各种精密控制电机，一片FPGA可以控制大量电机。

第三，公司的FPGA多年来一直被Xilinx(赛灵思)、Altera (altera)、Lattice(晶格)、Microsemi (MGS)四大巨头垄断。

还有一些小公司在夹缝中勉强生存。

Xilinx(赛灵思)是全球领先的可编程逻辑完整解决方案供应商。Xilinx开发、制造和销售广泛的高级集成电路、软件设计工具和IP(知识产权)内核，作为预定义的系统级功能。

国外巨头占据全球90%的市场，国内厂商暂时落后。

FPGA市场是双寡头垄断，Xilinx和Altera分别占据全球市场的56%和31%。

在中国的FPGA市场，这一比例高达52%和28%，

由于技术、资金、人才的壁垒以及FPGA量产带来的规模经济，行业老大的地位相对稳固。

目前国内厂商在国内的市场份额约占4%。随着未来国内厂商的技术突破，

国内在该领域替代FPGA将是一个百亿级的机会，替代范围很广空。

Altera已经被Intel收购，AMD正在收购Xilinx，预计2021年底完成。

中国的FPGA公司1。经纬黎齐:二次创业，瞄准AI云边缘

2.上海奥格信:从编译软件切入生态链。

3.广东高云:28纳米中高密度FPGA

4.深圳紫光同创:高性能FPGA已量产商用。

5.Xi安智多晶:小米是第四大股东。

6.上海安陆科技:28nm今年批量供货。

7.成都华为科技:诞生于国家“909”工程。

8.上海复旦微电子:超大规模亿门FPGA

IP核FPGA最重要的概念就是IP核。

IP(Intelligent Property)核是具有知识产权的集成电路核的总称。是经过反复验证的具有特定功能的宏模块。它与芯片制造工艺无关，可以移植到不同的半导体工艺中。

如果你还是不明白，你可以把它想象成一个软件模块，或者一个积木的组件。

比如Xilinx已经设计了基于FPGA的UDP核、PCIE xDMA核、UART核。我们只需要把别人的核加到我们的项目里，就相当于我们的板卡已经支持这个功能了。

对于FPGA开发软件来说，它提供的IP核越多，就越方便用户设计，市场占有率就越高。

一句话:IP核是有价值的！

不及物动词语言和例子说话很便宜，给你看代码！

我们举个例子来说明一下。

让我们用verilog实现进位加法器:

例:进位信号的产生原理ab = 1->: Co = 1a+b = 1，ci = 1->: Co =1两个多位数第I位相加产生的进位输出co(i)可以表示该位COI = AIBI+(AI+BI)(CII)写出第I位与s(i)的逻辑公式从全加器的真值表: Si

代码:

模块carry _ look _ aheadadder(output[3:0]s，output co，input [3:0] a，input [3:0] b，input ci)；wire[3:0]co _ tmp；wire[3:0]CIN；赋值cin[3:0] = {co_tmp[2:0]，ci }；//计算中间进位assign co _ tmp[0]= a[0] b[0]| |(a[0]| | b[0]) amp；(CIN[0])；assign co _ tmp[1]= a[1] amp；b[1]| |(a[1]| | b[1]) amp；(CIN[1])；assign co _ tmp[2]= a[2] amp；b[2]| |(a[2]| | b[2]) amp；(CIN[2])；assign co _ tmp[3]= a[3] amp；b[3]| |(a[3]| | b[3]) amp；(CIN[3])；//计算sum 赋值s[0]= a[0]b[0]CIN[0]；赋值s[1]= a[1]^ b[1]^ CIN[1]；赋值s[2]= a[2]^ b[2]^ CIN[2]；赋值s[3]= a[3]^ b[3]^ CIN[3]；assign co = co _ tmp[3]；endmodule

模块carry _ look _ aheadadder _ tbwire[3:0]s；电线公司；reg[3:0]a；reg[3:0]b；reg ci；initialbegina = 4 ' b 0000；b = 4 ' b0000ci = 0；# 10 a = 4 ' b 1111；b = 4 ' b1111ci = 0；# 10 a = 4 ' b 1100；b = 4 ' b1001ci = 0；# 10 a = 4 ' b 0111；b = 4 ' b0110ci = 0；# 10 a = 4 ' b 0101；b = 4 ' b0101ci = 1；# 10 a = 4 ' b 1110；b = 4 ' b1001ci = 1；# 10 a = 4 ' b 0010；b = 4 ' b0110ci = 1；# 10 a = 4 ' b 0110；b = 4 ' b1100ci = 1；# 10 $ finish；endinitial begin$ fsdbDumpfile(" test . fsdb ")；$ fsdbDumpvars()；endcarry _ look _ aheadadder u _ carry _ look _ aheadadder()。s(s)，。co(co)，。答(答)，。b(b)，。ci(ci))；endmodule

结果:

如你所见，这与普通的高级语言有很大的不同。

学习FPGA一定要有扎实的硬件电路基础。

举例:以上是lattice的一个FPGA架构。你可以把它想象成一个充满电子元件的硬件电路板。图中电路板上的元件包括最小单元的IIC和SPI硬核接口器件、NVCM程序存储器件、ram数据存储器件和LUT(查找表)器件。

通常，FPGA工程师会使用Verilog或VHDL对FPGA进行“编程”。之后，经过厂商提供的FPGA开发工具(Diamond或Radiant，vivado)综合、布局、布线后，会生成bit文件或bin文件。

如果工程师将最终生成的bit文件或bin文件下载到FPGA中，就相当于一个硬件工程师在已经放置了“元器件”的“电路板”上，对FPGA芯片进行了布线。(也就是用铜线连接不相关的设备)

下载完程序，就不能简单的称之为“电路板”了。

比如FPGA实现的功能是spi转换器-并口，所以这个FPGA可以称为“SPI接口转换板”。

当然，FPGA和“电路板”毕竟不一样。FPGA可以重复编程，相当于一个可以重复布线的电路板。

七。为什么效率这么高？1.FPGA和GPU的区别本质上是架构的区别。CPU和GPU都属于冯诺依曼结构，解码执行指令，共享内存。

本质上，FPGA是一种没有指令和共享内存的架构。

与CPU FPGA(指令)不同:CPU结构——带指令:在冯的结构中，由于执行单元(如CPU核)可能执行任何指令，所以需要指令存储器、译码器、各种指令的运算器和分支跳转处理逻辑。因为指令流的控制逻辑比较复杂，不可能有太多独立的指令流，所以GPU使用SIMD(单指令流多数据流)让多个执行单元以相同的速度处理不同的数据，CPU也支持SIMD指令。FPGA结构——不需要指令:虽然在重编程(编程)时已经确定了FPGA各逻辑单元的功能，但不需要指令。

CPU架构(内存)不同于CPU FPGA——仲裁和共享内存:冯架构中内存的使用有两个作用。一个是保存状态，一个是执行单元之间的通信。因为内存是共享的，所以需要访问仲裁；为了利用访问局部性，每个执行单元都有一个私有高速缓存，这需要维护执行单元之间的高速缓存一致性。

FPGA结构——无仲裁和共享内存:对于保存状态的要求，FPGA中的寄存器和片内存储器(BRAM)属于自己的控制逻辑，不需要不必要的仲裁和缓存。对于通信需求，FPGA的各个逻辑单元与周围逻辑单元的连接在重编程(烧录)时已经确定，不需要通过共享内存进行通信。

FPGA兼具流水线并行和数据并行，而GPU几乎只有数据并行(流水线深度有限)。

FPGA和数据的并行处理:比如处理一个数据包有10个步骤，FPGA可以建立一个10级流水线。流水线的不同阶段处理不同的数据包，每个数据包经过10级后被处理。每次处理一个包，都可以立即输出。

GPU数据并行处理:GPU的数据并行方法是做10个计算单元，每个计算单元也在处理不同的数据包。

然而，所有的计算单元必须按照统一的步调做同样的事情(SIMD)。

这就要求10个数据包必须一起输入输出，输入输出的延时增加。

综上所述，如果很多算法是纯软件实现的话，需要很多指令才能完成。如果使用FPGA，只需要有限数量的时钟周期即可完成。速度不到一点半。

八。收益FPGA军工产品应用广泛。基本上只要涉及到无线通信产品，都会涉及到FPGA开发。

尤其是在高校，应用非常广泛。在这个领域，发学位论文(博士学位论文)特别容易。

还有一些其他领域是小公司，工业控制机器人，3d成像，裸眼3d公司，led拼接屏公司，

通信应用广泛，还有一些大数据。比如腾讯和百度都有类似的职位做数据挖掘。

寇军顺手截取了某APP发布的南京、上海、深圳的FPGA职位信息。

可以看到收入一般在2万到5万，

不能和互联网寡头百万年薪相比。

与财务收入相比，

总的来说还是比较满意的！

相对于软件行业，工资低，但是积累的经验长，

工资会很高。年龄越大越厉害，后期比软件工资还高。

寇军曾经和龙芯的技术人员交流过，他们的中流砥柱都是FPGA出来的！

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