FPGA设计五大优势 凸显工业应用灵活性

只有FPGA具有WDR图像传感器流水线（ISP）协处理所需的带宽，将视频流送入DSP器件进行视频编码，例如，H.264等。DSP器件缺少处理WDR ISP所需的带宽和接口，不具备运行其他监控功能的性能，例如，视频分析等。

　　另一个例子，图5显示了FPGA作为视频监控应用中的SoC。用作SoC时，FPGA支持您在一片FPGA中集成所有的组件——ISP、视频分析、编码和联网功能。这一方法不需要采用后端DSP器件，支持实现更紧凑的集成设计。

　　图6显示了在Cyclone® V SoC上实现的SoC系统实例的结构图。

　　可重新编程能力

　　利用FPGA的可重新编程能力，您很容易适应标准的发展，支持设计重用。即使您在工业应用中只采用一个MCU、DSP、ASSP或者ASIC解决方案，很多应用还是需要分立器件来处理工业通信等功能，例如，可选的现场总线专用ASIC或者FPGA，，如图7所示。当网络规范或者功能需求出现变化时，您通常会集中精力来开发多块PCB，以支持不同的协议和功能，每一平台都需要额外的软件导入导出时间。这大大提高了解决方案的总成本。

　　或者，您可以使用FPGA作为通信协处理器。您可以在一个硬件平台上设计一个通信子系统，随时修改网络协议，支持多种产品。您通过在一片FPGA中更灵活的集成主MCU或者DSP控制功能、多个处理器和其他IP以及接口，开发小外形器件，节省空间，降低成本。由于能够针对多种产品采用一个平台，减少了要开发的硬件数量，简化了软件的导入导出，因此，您将获得几个月甚至更长的产品及时面市优势。

　　调整性能

　　任何工业控制系统的关键所在是主机/主MCU、DSP、ASIC或者ASSP器件的处理功能。当性能成为设计难题时，FPGA提供以下方法来调整处理性能，如图8所示。

　　■ 使用高性能外部处理器以及FPGA内置的多个嵌入式处理器之一。您还可以将所有处理功能集成到FPGA中，作为SoC。

　　■ 加入定制指令以及您的处理器代码，从而加速专用处理器指令；浮点就是一个很好的例子。

　　■ 通过DSP模块等专用硬件加速数据转换算法。

　　多核处理

　　对于灵活的多处理器设计，您可以从多种实现方式中进行选择。嵌入式工业设计人员通常对非对称协处理感兴趣，把FPGA作为I/O辅助芯片或者SoC。非对称多处理器意味着多功能产品可以采用专用处理器来实现每一主要功能。这尤其适合满足当今迫切的应用需求，例如，智能电话等。开发人员以前在PCB上采用多个处理器来开发这类系统。现在，您可以在一片FPGA中每个分区的专用处理模块上来完成这一工作，如图9所示。

　　这类应用的一个例子就是高性能伺服驱动应用，它需要高性能主处理器（或者多处理器）来完成每一主要功能。专用处理器执行应用代码，通信处理器提供现场总线或者以太网链路，图形或者图像处理器提供显示功能，包括数字电机编码器、PWM功能和电源控制等其他定制逻辑和接口。您还可以将所有这些功能集成到FPGA中，作为协处理器或者完整的SoC。

　　定制指令

　　您可以通过增加定制指令以及相应的处理器代码来调整处理器性能。这一方法加速了专用处理器指令，如图10所示。

　　您可以在嵌入式处理器指令集中加入定制指令，以加速对时间要求较高的软件算法。图10中的例子显示了您怎样在Altera Nios® II处理器的算术逻辑单元（ALU）中加入定制指令逻辑。使用定制指令将复杂的标准指令序列简化为在硬件中实现的嵌入指令。您可以在各种应用中使用这一功能。例如，您可以优化DSP的软件内循环、数据包头处理以及需要大量计算的应用。Quartus® II软件提供配置GUI，支持Nios II处理器的256条定制指令。图10中的例子使用了64 Kilobyte （KB） CRC缓冲。在Nios II处理器中，与只采用软件操作相比，定制指令能够将CPU的性能提高27倍。

　　硬件加速

　　除了定制指令，您还可以使用硬件加速器，例如DSP模块、视频模块以及其他IP，从而消除数据瓶颈。图11显示了与仅采用定制指令的同一Nios II处理器系统相比，采用同时或者并行数据协处理器功能将系统性能提高了530倍。在并行数据协处理器期间，处理器的中央处理单元（CPU）启动并停止协处理器，协处理器获取数据，存储结果，CPU同时运行应用代码。这适用于模块数据操作，例如，电机控制或者运动控制应用中常见的DSP功能。

　　过时保护

　　生命周期较长的FPGA降低了产品过时的风险。Altera FPGA的产品生命周期非常符合工业设备的长生命周期要求，能够稳定的供应器件，如图12所示。

大部分MCU、DSP或者ASSP器件的产品生命周期比FPGA短得多，这是因为和Altera相