全面解析FPGA與DSP，兩者區(qū)別竟然這么大

PGA是一種可編程的硅芯片，DSP是數(shù)字信號(hào)處理，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在項(xiàng)目的架構(gòu)設(shè)計(jì)階段就面臨到底采用FPGA還是DSP的重要問題。本文將首先分別介紹FPGA和DSP的特點(diǎn)，然后再從內(nèi)部資源、編程語言、功能多個(gè)角度解析兩者的不同。

1、FPGA與DSP的特點(diǎn)

FPAG的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

片內(nèi)有大量的邏輯門和觸發(fā)器，多為查找表結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)工藝多為SRAM。規(guī)模大，集成度高，處理速度快，執(zhí)行效率高。能完成復(fù)雜的時(shí)序邏輯設(shè)計(jì)，且編程靈活，方便，簡單，可多次重復(fù)編程。許多FPAG可無限重復(fù)編程。利用重新配置可減少硬件的開銷。缺點(diǎn)是：掉電后一般會(huì)丟失原有邏輯配置；時(shí)序難規(guī)劃；不能處理多事件；不適合條件操作。

DSP的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1、 采用數(shù)據(jù)和程序分離的哈佛結(jié)構(gòu)和改進(jìn)的哈佛結(jié)構(gòu)，執(zhí)行指令速度更快。

2、 采用流水線技術(shù)，減少每條指令執(zhí)行時(shí)間。

3、 片內(nèi)多總線，可同時(shí)進(jìn)行取指及多個(gè)數(shù)據(jù)存取操作。

4、 獨(dú)立的累加器及加法器，一個(gè)周期內(nèi)可同時(shí)完成相乘及累加運(yùn)算。

5、 有DMA通道控制器及串行通信口等，便于數(shù)據(jù)傳送。

6、 有中斷處理器及定時(shí)控制器，便于構(gòu)成小規(guī)模系統(tǒng)。

7、 具有軟硬件等待功能，能與各種存儲(chǔ)器接口。

DSP作為專門的微處理器，主要用于計(jì)算，優(yōu)勢(shì)是軟件的靈活性。適用于條件進(jìn)程，特別是復(fù)雜的多算法任務(wù)。DSP通過匯編或高級(jí)語言（如C語言）進(jìn)行編程，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)方案。因此，采用DSP器件的優(yōu)勢(shì)在于：軟件更新速度快，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性、通用性、可更換性和靈活性。缺點(diǎn)：受到串行指令流的限制；超過幾MHZ的取樣率，一個(gè)DSP 僅能完成對(duì)數(shù)據(jù)非常簡單的運(yùn)算；研發(fā)周期長。

2、內(nèi)部資源

FPGA側(cè)重于設(shè)計(jì)具有某個(gè)功能的硬件電路，內(nèi)部資源是VersaTIles（ActelFPGA）之類的微小單元，F(xiàn)PGA的內(nèi)部單元初始在編程前都是使用的是HDL語言實(shí)現(xiàn)硬件電路的設(shè)計(jì)描述。FPGA內(nèi)部的連線資源將這些功能模塊的內(nèi)部和模塊之間的信號(hào)連接起來，構(gòu)成較大的模塊。FPGA可以內(nèi)部實(shí)現(xiàn)ALU，加法器，乘法器，累加器，F(xiàn)IFO，SRAM，DDRcontroller，F(xiàn)FT，HDLC，DMA，PWM等等數(shù)字電路，也就說我們要用其實(shí)現(xiàn)一個(gè)特定的或是通用的硬件功能一個(gè)或是多個(gè)模塊，這些模塊的各個(gè)細(xì)節(jié)都要要用HDL來描述設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

目前的FPGA都可以直接內(nèi)嵌諸如ARM7，CoretexM1，Core8051等微處理器，用于FPGA的軟核的，也有的FPGA廠商將一些硬件模塊直接做到FPGA中，這些是FPGA內(nèi)部的硬核。傳統(tǒng)的FPGA都是實(shí)現(xiàn)純數(shù)字電路的，業(yè)界只有Actel的FPGA實(shí)現(xiàn)了數(shù)模混合的PSC單芯片技術(shù)，真正的提升和擴(kuò)大了FPGA的應(yīng)用功能和領(lǐng)域。

此外，多數(shù)FPGA都有PLL，DLL之類的鎖相環(huán)，Slew可調(diào)，Actel的還內(nèi)建了OSC，RTC，Powermanager之類的硬件單元，甚至Actel的Fusion系列還內(nèi)建了600kbps的12bit的ADC以及MOSFETDriver之類模擬接口，內(nèi)部有UserFlashMemeory，F(xiàn)lashROM等資源可以實(shí)現(xiàn)真正的PSC，Bootloader之類的功能。

DSP主要是算法處理，內(nèi)部資源主要是乘法器，加法器之類的資源，有SPI接口，UART接口，接受一定的指令集，內(nèi)部的資源基本上都是現(xiàn)成的，需要客戶的需要而重新配置，方便于客戶的使用，但是相對(duì)來講其功能是有局限性的，所以主要用于某些特定的領(lǐng)域。DSP也有內(nèi)嵌的鎖相環(huán)，計(jì)數(shù)器，Baudrate發(fā)生器，有的DSP也有ADC模擬接口。

3、編程語言

FPGA主要使用HDL，包括VHDl，Verilog，還有數(shù)?；旌系拿枋稣Z言Verilog-AMS等。（課程推薦：FPGA培訓(xùn)）

DSP使用C，匯編語言編程。（課程推薦：C6000 DSP培訓(xùn)）

4、功能角度

FPGA普遍用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路模塊，基本上能實(shí)現(xiàn)所有的數(shù)字電路，傳統(tǒng)的數(shù)字功能模塊，以及客戶產(chǎn)品特定需求的數(shù)字處理模塊。FPGA的IO橋接種類繁多，不同種類的級(jí)別的FPGA支持的IO標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議都不盡相同，但是這些IO的驅(qū)動(dòng)能力或是電壓都是可編程配置的。任何數(shù)字功能電路的實(shí)現(xiàn)，高速信號(hào)的處理，控制領(lǐng)域的信號(hào)處理，橋轉(zhuǎn)換協(xié)議的實(shí)現(xiàn)，Actel的Fusion還能用于電流/電壓檢測(cè)，溫度的檢測(cè)，MOSFETdriver，電源管理，其獨(dú)特的Flash工藝技術(shù)可以依靠電池供電工作，和掉電實(shí)時(shí)保存數(shù)據(jù)，超低功耗，多種工作模式（StaTIc，Sleepmode），尤其IGLOO芯片的功能在Sleepmode下功耗只有5uW。這樣的功耗用于手機(jī)，GPS之類的移動(dòng)手持設(shè)備中能發(fā)揮更大的功能應(yīng)用。

除此之外，用FPGA實(shí)現(xiàn)ASIC的前期的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，F(xiàn)PGA實(shí)現(xiàn)DSP的功能，實(shí)現(xiàn)CPU的功能，MCU的功能，內(nèi)存控制器，用于工業(yè)的PWM，SVPWM，Clarke，Park的正逆變換的實(shí)現(xiàn)，VGA控制，數(shù)據(jù)的編解碼，解復(fù)用，高達(dá)上Gbps的信號(hào)的處理，協(xié)議的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)等等等等功能，都是DSP難以勝任的。

DSP內(nèi)部有很多現(xiàn)成的硬件模塊和接口以及控制器，但是需要軟件編程設(shè)定，可以實(shí)現(xiàn)PWM控制，接口控制，UART接口，SPI接口等功能。但是由于受指令集的時(shí)鐘周期的限制，DSP不能處理太高的信號(hào)，至于說上Gbps的信號(hào)，LVDS之類的信號(hào)就很難以涉及了。所以相應(yīng)的應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)有所限制。但是不同的領(lǐng)域客戶的設(shè)計(jì)方案不同，考慮的側(cè)重點(diǎn)不同，有些領(lǐng)域設(shè)計(jì)者也是愛好使用DSP的，諸如算法實(shí)現(xiàn)，協(xié)議的處理等等如果換作FPGA來處理那就得不償失。

5、適用的場(chǎng)合

DSP適用于系統(tǒng)較低取樣速率、低數(shù)據(jù)率、多條件操作、處理復(fù)雜的多算法任務(wù)、使用C語言編程、系統(tǒng)使用浮點(diǎn)。）適合于較低采樣速率下多條件進(jìn)程、特別是復(fù)雜的多算法任務(wù)。

FPAG適用于系統(tǒng)高速取樣速率（≥幾MHZ）、高數(shù)據(jù)率、框圖方式編程、處理任務(wù)固定或重復(fù)、使用定點(diǎn)。） 適合于高速采樣頻率下，特別是任務(wù)比較固定或重復(fù)的情況以及試制樣機(jī)、系統(tǒng)開發(fā)的場(chǎng)合。