FPGA相对于MCU的主要优势在哪

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设计的主要优势

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。

使用MCU设计的主要局限性

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。

编辑：jq