FPGA相对于MCU的主要优势

在开发新的电子系统时，设计人员需要做出各种决定。最关键的一个决定是选择系统架构和实现的芯片。这些组件发挥着关键功能，当前的选择也十分宽范，因此错误的决定可能意味着市场上的失败。

如果你恰好读到这篇博文，那么你可能已经熟悉现场可编程门阵列（FPGA）以及相应的替代芯片类型。我认为对比一下FPGA 与其主要竞品——微控制器（MCU）之间的一些关键差异将有所裨益。

使用FPGA进行设计的最大优势是它们的可编程架构，设计人员可以对其快速编程（和重新编程），执行几乎所有功能。你可以将这种结构想象成许多微小的可编程逻辑“岛屿”（单元）漂浮在可编程互连的“海洋”中。每个逻辑单元都包含一些组合逻辑和一个寄存器，并且每个单元都可以通过编程来执行所需的功能。同时，可编程互连可用于连接FPGA的通用输入/输出（GPIO）和所选逻辑单元的输入和输出（I/O），并将逻辑单元之间相互连接。此外，可以对GPIO组（bank）进行编程来支持不同的电气接口、输入阻抗和输出转换（边缘）速率。

FPGA的可编程结构能以大规模并行方式实现数据处理算法。例如，假设一个算法需要对一些相似的数据执行100次加法。FPGA可以配置为在同一时钟沿同时执行所有这些操作。要么在同一时间段内执行100次计算，要么以1/100的时钟频率执行相同数量的计算。

这种固有的灵活性有助于加快FPGA应用设计的上市时间，因为可以在最终确定系统设计的同时决定或更改集成的FPGA的功能。这种可重新编程的特性还能让开发人员通过软件更新来更新或更改FPGA的功能，从而延长FPGA（以及使用它们的系统）的生命周期。

MCU设计的思路不同。一旦硬件平台建立起来，芯片的功能就确定了，接下来就是软件开发人员的工作，他们使用C或C++等编程语言来完成他们的设计部分。随后，C/C++源代码传递给编译器，编译器生成将由MCU执行的机器代码。

虽然MCU非常擅长执行决策任务，但大多数MCU底层的冯诺依曼架构在执行许多数据处理算法方面效率低下。这是因为该架构的工作方式是从内存中检索指令、解码该指令、获取数据（如有需要）、执行指令并存储结果（如有需要）。当然，这只是高度简化的描述，但大抵如此。最终结果是MCU按串行顺序（一个接一个）执行操作。在MCU上实现DSP需要执行的大量操作还需要高速系统时钟，这会大大增加应用的功耗。

较早的系统架构一般同时使用MCU和FPGA，MCU提供决策功能，FPGA执行计算密集型数据处理。在更先进的系统架构中，工程团队则利用FPGA固有的灵活性和性能优势，完全取代MCU，并将决策和数据处理任务整合到FPGA中，大大减少了物理设计占用空间，同时降低功耗。工程师可以在FPGA中使用“软核”MCU来实现这种设计，MCU的功能在可编程架构中实现。FPGA还可能包含直接在芯片中以“硬核”实现的各种功能，包括SRAM、非易失性存储器、DSP、PLL、时钟管理器和SERDES模块。

FPGA设计的传统方法是使用硬件描述语言（HDL），例如Verilog或VHDL，在寄存器传输级（RTL）描述设计。然后RTL源代码馈送到综合引擎（相当于“编译器”），生成用于对FPGA进行编程的配置文件。不熟悉HDL的开发人员，可以使用基于图形用户界面（GUI）的工具（例如莱迪思Propel™），通过拖放的直观界面描述设计，例如进行基于处理器的设计。此时，可以通过使用工具的GUI来选择并连接一个或多个处理器内核和相关外设功能，工具将自动生成RTL提供给综合引擎。

对于那些想要开始使用或尝试FPGA的人而言，莱迪思作为长久以来全球公认的小尺寸、低功耗、高性能FPGA供应商，是他们的理想选择。莱迪思Nexus™ FPGA平台基于28 nm FD-SOI工艺，与同类FPGA竞品相比，功耗降低75%，软错误率降低100倍。Nexus平台诞生了CrossLink™-NX、Certus™-NX、CertusPro™-NX和Mach™-NX FPGA系列产品，为开发人员提供了一系列针对应用优化的FPGA解决方案选择。

莱迪思还提供了一套直观易用的设计工具，包括Lattice Diamond®和Lattice Radiant®。此外，还有Lattice Propel，这是一套完整的图形和命令行工具，可用于创建、分析、编译和调试基于FPGA的处理器系统的硬件和软件设计。

为了更轻松地使用我们的低功耗FPGA进行应用开发，莱迪思开发了模块化硬件平台、示例演示、参考设计、IP核、软件开发工具以及定制化设计服务，即莱迪思解决方案集合。这些产品有助于简化并加速基于FPGA的常见应用的开发，更好地服务于我们的目标市场。解决方案集合产品包括用于边缘AI/ML应用的Lattice sensAI™、用于嵌入式视觉的mVision™、实现工业自动化的Automate™和保障硬件安全的Sentry™。

此外，莱迪思还与我们的官方培训提供商——莱迪思教育能力中心（LEC2）合作，提供丰富的培训计划，为开发人员提供创建基于莱迪思低功耗FPGA的应用所需的实践经验——包括最初的概念到实际的物理实现。这些培训将由经验丰富的FPGA开发团队开展，他们曾为各类市场设计应用，将在培训中为学员带来第一手的知识和经验。

我希望些信息对读者有所益处。如果您刚刚开始使用FPGA并希望了解更多信息，请务必查阅我们的《FPGA初探》博文和element14社区的《如何上手使用FPGA》网络研讨会（点击阅读原文观看录像）。