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FPGA(Field Programmable Gate Array)是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 [1] 展开全文
FPGA(Field Programmable Gate Array)是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 [1]
信息
简    称
FPGA
所属类别
AI 芯片
中文名
现场可编程逻辑门阵列
外文名
Field Programmable Gate Array
FPGA简介
FPGA设计不是简单的芯片研究,主要是利用 FPGA 的模式进行其他行业产品的设计。 与 ASIC 不同, FPGA在通信行业的应用比较广泛。通过对全球FPGA产品市场以及相关供应商的分析,结合当前我国的实际情况以及国内领先的FPGA产品可以发现相关技术在未来的发展方向,对我国科技水平的全面提高具有非常重要的推动作用。 [2]  与传统模式的芯片设计进行对比,FPGA 芯片并非单纯局限于研究以及设计芯片,而是针对较多领域产品都能借助特定芯片模型予以优化设计。从芯片器件的角度讲,FPGA 本身构成 了半定制电路中的典型集成电路,其中含有数字管理模块、内嵌式单元、输出单元以及输入单元等。在此基础上,关于FPGA芯片有必要全面着眼于综合性的芯片优化设计,通过改进当前的芯片设计来增设全新的芯片功能,据此实现了芯片整体构造的简化与性能提升。 [3] 
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  • 基于Simulink的FPGA代码自动生成技术

    千人学习 2019-12-03 19:22:16
    课程主要讲解基于simulink的hdl coder模块组的使用方法,学会使用hdl coder搭建算法模型,校验模型并能自动生成可以下载到FPGA运行的Verilog或VHDL代码,学会testbench文件的自动生成和modelsim模型的验证。...
  • FPGA入门

    千人学习 2018-10-04 00:28:27
    本课程向大家介绍FPGA的基本概念和功能,并结合实际操作讲解实现原理和操作步骤,讲师也会带着大家演示一个实验。
  • FPGA入门教程】(一)初识FPGA

    万次阅读 多人点赞 2018-05-24 18:43:00
    FPGA(Field-Programmable Gate Array,现场可编程门阵列),正如其名,FPGA内部有大量的可编程逻辑功能块,使用verilog HDL(硬件描述语言)实现设计。  玩过单片机的小伙伴刚接触FPGA可能会有点困惑,其实FPGA与...

      FPGA(Field-Programmable Gate Array,现场可编程门阵列),正如其名,FPGA内部有大量的可编程逻辑功能块,使用verilog HDL(硬件描述语言)实现设计。

      玩过单片机的小伙伴刚接触FPGA可能会有点困惑,其实FPGA与单片机最大的区别就在于:FPGA设计的是电路,单片机设计的是程序。单片机只有一个CPU在工作时钟的驱动下顺序的执行程序(取指、译码、执行),所以工作速度较慢,而FPGA设计出来的是整个电路逻辑系统,根本不需要单片机这么复杂,所以FPGA的工作速度自然很快,在两者各有各的优势下,单片机主要用于进行相关控制,FPGA多用于信号处理相关。

      典型的FPGA原理和结构如下图(注:以Cyclone IV E FPGA芯片为例),主要包括三类基本资源

              

    • 可编程逻辑功能块(Altera-LE(Logic Element) / Xlinx-Slice)

                    是实现用户功能的基本单元,多个逻辑功能块通常规则地排成一个阵列结构,分布于整个芯片;

    • 可编程内部互连资源

        包括各种长度的连线线段和一些可编程连接开关,它们将各个可编程逻辑块或输入/输出块连接起来,构成特定功能的电路。用户可以通过编程决定每个单元的功能以及它们的互连关系,从而实现所需的逻辑功能。

    • 可编程输入/输出(I/O)块

         完成芯片内部逻辑与外部管脚之间的接口,围绕在逻辑单元阵列四周;

      

      FPGA从简单的逻辑粘合,发展到现在的可编程片上系统,FPGA厂家也在基本的FPGA架构上加入了一些扩展资源,比如时钟管理单元(PLL、DLL)、嵌入式存储器单元和硬件乘法器单元,DSP单元一些高端器件还加入了高速收发器、甚至嵌入式硬核处理器,让FPGA的应用领域更广阔,Cyclone IV E器件加入的扩展资源有:

    • PLL锁相环

        模拟电路,将输入的周期信号进行分频和倍频,或改变相位,输出一个或多个稳定的时钟信号;

    • M9K存储器

        嵌入式块RAM,容量大小9Kbit,这些存储器可以被配置成单端口、简单双端口、真双端口RAM、FIFO缓冲器、ROM

    • 18*18硬件乘法器

        快速进行运算

     

      FPGA中除了三类基本资源和一些扩展资源外,由图中可以看到,FPGA中资源分布也是很精致的:

        1、逻辑阵列和M9K存储器交替分布,这样做的优点是缩短数据的传输路径,以获得更优的时序性能;

        2、IOEs和PLL单元分布在器件的四周,数据流一般从左侧IO流入,经过处理、运算、存储,通过右侧IO流出,控制信号通过上下IO输入输出;有时候系统需要高质量时钟(比如软核所需工作时钟)通常由PLL单元产生,而这些分布在四周的PLL可以最短时钟源产生工作时钟,另外,PLL属于模拟电路,放在周围更利于生产;

      两种主流FPGA的资源情况如下:

      Altera Cyclone IV E系列FPGA常见硬件资源详情列表:

     

     

      Xilinx 7 系列FPGA 硬件资源详情:

      

       最后,放上两张开发板图片,一块是小梅哥基于Cyclone IV EP4CE10的AC620,一块是Digilent基于Xilinx Artix7的Basys3,两块都很精致有木有~

      

      

     

     

      

     

     

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  • FPGA到底是什么

    万次阅读 多人点赞 2018-12-18 17:21:10
    FPGA设计这么久,每次给别人介绍的时候,总是感觉讲的不够深刻,惭愧惭愧惭愧。 这次,我就FPGA的硬件属性来展开,简单写写,与大家分享。 我的许多朋友都是经验丰富的算法工程师、嵌入式工程师,但他们都是数学...

    做FPGA设计这么久,每次给别人介绍的时候,总是感觉讲的不够深刻,惭愧惭愧惭愧。

    这次,我就FPGA的硬件属性来展开,简单写写,与大家分享。

    我的许多朋友都是经验丰富的算法工程师、嵌入式工程师,但他们都是数学、MCU背景,对数学公式和嵌入式了解的比较多,因此对于FPGA是什么以及FPGA能做什么只有一个模糊的概念。每次我说你的算法设计的好,我FPGA就能给你高效的实现,他们总是不信,你怎么就能高效了,为什么高效,你还能比现在的人工智能芯片厉害?留给了我一堆巴拉巴拉解释,我们总是喜欢刨根问底,如果问急了,他们会说“你可以通过配置FPGA让它做不同的事情”诸如此类的话,但他们真的不是很清楚FPGA里面有什么,或者如何在设计中使用FPGA这一高级产品。

    事实上,MCU对有些任务来说是很适合的,但对某些控制与复杂计算来说可能做的并不是特别好。举例来说,当需要并行执行大量计算任务时,FPGA可能会让你喜出望外。

    ##############################################################################
    FPGA的基本结构有:
    LUT(Look-Up-Table):查找表,用于逻辑操作;通常输入n个LUT,需要2n个存储单元,常见的为4输入查找表结构。LUT可以用来计算但也可以当做存储器来用。
    FF(Flip Flop) :触发器,存储LUT操作的结果,包含时钟控制等,可以控制输出数据时钟周期。
    wire:总线连接
    I/O:数据通过I/O将FPGA与其他设备通信
    DSP:算法计算逻辑单元,由加法器和乘法器构成。
    BRAM:将双端口的RAM配置到FPGA用于提供片上存储较大的数据(LUT也可以片上存储),允许同一个时钟周期访问不同的RAM位置。

    在进行一点补充LATCH、DFF的介绍:
    LATCH :就是锁存器。由电平触发,非同步控制。在使能信号有效时latch相当于通路,在使能信号无效时latch保持输出状态。

    LUT与LATCH 共同点是:均属于组合逻辑。
    不同点是:LUT是FPGA最小单元的组成结构,而LATCH不是。

    DFF就是D类触发器。它是边沿触发的,归为时序逻辑。reg就是由DFF组成的。我们所说的定义一个8位的寄存器,就是用了8个同步的D触发器。

    ##############################################################################

    FPGA采用了逻辑单元阵列LCA这样一个概念,内部包括可配置逻辑模块CLB输出输入模块IOB内部连线三个部分。

    FPGA利用小型查找表来实现组合逻辑,每个查找表连接到一个D触发器的输入端,触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O,由此构成了即可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块,这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。

    查表法再加上触发器就保证了快速运算逻辑的可能性,这就是FPGA!

    FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的,存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式,并最终决定了FPGA所能实现的功能。

    对MCU进行烧写程序,程序固件被写入MCU的片上存储器ROM中,现代大部分MCU的片上存储器ROM为FLASH存储器,可以实现掉电保持数据,所以可以掉电程序不丢失。
    而对于Altera和Xilinx两家的FPGA芯片而言,FPGA芯片是基于SRAM的查找表(LUT),所以当将.sof下载到FPGA芯片中后,这些数据直接存储在SRAM的查找表中,一旦掉电即会丢失数据。解决方案是在FPGA芯片外部放置一片能够掉电不丢失数据的存储器,如常见的EPCS、QFLASH等,在FPGA内部设计一个专用的硬件电路,在芯片刚上电时就主动去读取该存储器中的固件,并配置到FPGA芯片中。

    加电时,FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中,配置完成后,FPGA进入工作状态。
    掉电后,FPGA恢复成白片,内部逻辑关系消失,因此,FPGA能够反复使用。

    FPGA内部不存在所谓的计算的概念,所有的结果几乎都是硬件直给,所以,计算很快,计算延时可以精确到多少个时钟周期。FPGA进行并行计算的性能功耗比甩GPU几条街(一点不夸张),代价是开发难度的增大,毕竟会写Verilog的老司机估计比会写C++的老司机还少,所以Xilinx才一直想推广HLS,用C开发FPGA。不过这玩意就好比汇编和FPGA的关系,论极致性能,肯定还是Verilog更好。

    ##############################################################################

    FPGA计算能力分析

    FPGA作为一种高性能、低功耗的可编程芯片,可以根据客户定制来做针对性的算法设计。所以在处理海量数据的时候,FPGA 相比于CPU 和GPU,优势在于:FPGA计算效率更高,FPGA更接近IO。

    FPGA不采用指令和软件,是软硬件合一的器件。对FPGA进行编程要使用硬件描述语言,硬件描述语言描述的逻辑可以直接被编译为晶体管电路的组合。所以FPGA实际上直接用晶体管电路实现用户的算法,没有通过指令系统的翻译。

    FPGA的英文缩写名翻译过来,全称是现场可编程逻辑门阵列,这个名称已经揭示了FPGA的功能,它就是一堆逻辑门电路的组合,可以编程,还可以重复编程。

    这里用Xilinx的V7-690T进行分析FPGA计算能力,V7-690T包含3600个DSP(Digital Signal Processing),DSP就是FPGA的计算单元。每个DSP可以在每个时钟周期可以做2个单精度浮点计算(乘和加)。
    FPGA峰值浮点计算性能 = DSP个数 X FPGA频率 X 每周期执行的浮点操作数。
    V7-690T运行频率已250MHz来计算,V7-690T峰值浮点计算性能 = 3600(DSP个数) X 250MHz X 2(乘和加)=1.8T FLOPs/s即每秒1.8T峰值浮点计算能力。

    FPGA芯片结构是否可以充分发挥浮点计算能力?FPGA由于算法是定制的,所以没有CPU和GPU的取指令和指令译码过程,数据流直接根据定制的算法进行固定操作,计算单元在每个时钟周期上都可以执行,所以可以充分发挥浮点计算能力,计算效率高于CPU和GPU。

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  • FPGA从零开始到大神怎么学

    万次阅读 多人点赞 2018-07-14 02:42:34
    原创: 刘勇材 玩儿转FPGA 微信公总号1选好一本比较全,排版比较合理的verilog书 verilog作为现在最流行的FPGA开发语言,当然是入门基础,在这里小编给大家推荐一本多年来珍藏的两本书,一本是verilog2001的国际...

    原创: 刘勇材  玩儿转FPGA 微信公总号

    1

    选好一本比较全,排版比较合理的verilog书
           verilog作为现在最流行的FPGA开发语言,当然是入门基础,在这里小编给大家推荐一本多年来珍藏的两本书,一本是verilog2001的国际标准,还有一本是某高手写的非常全面的语法讲解书,下面是百度网盘链接,全免费的:
    链接:https://pan.baidu.com/s/1tstjmKqFcDEkoH1hd43IXA 密码:b17x     
            
    请大家切记:不要先看完语法书再动手学FPGA!
            强烈建议:把以上两本书作为工具书,也就是看到不明白的地方直接去查阅。每次查阅都会加深印象,对常见的语法也记得牢靠,不常见的语法也就不用浪费时间去记。        
    2
    从最简单的代码学起
            找到工具书后,找到最简单的基础实例(带仿真例程)开始看起,看不懂查阅工具书。看完之后用ISE或者Vivado综合,然后看RTL图,你就能看到这些代码最终翻译成了什么样的数字电路。
            紧接着就是仿真或者上板实测:用仿真的信号输入到你写的模块里面,你才能清晰的知道最终电路输出是什么结果,是否和你想的一致。如果不一致,找到不一致的原因。对于简单设计,仿真和实际上板是看不出差别的。
            另外:明白你写的代码是什么电路是整个FPGA设计永远的核心!如果你发现你有一天对自己写的代码非常清楚他出来是什么样子,那么恭喜你入门了!换句话说,就是要学会用机器的思维去看你的代码,只有多综合你才能懂xilinx的编译器是什么综合规律(以后公众号里也会详细讲),用机器去理解机器才是最好的理解!
            下面我分享一些适合初学者的案例,顺序由易到难:
            1.N bit计数器(FPGA综合的计数器和数电书上是不一样的哦,大家仔细去对                  比)
            2.LED控制,也就是单个信号输出规律控制,比如输出1s闪一次等等
            3.用状态机控制LED,比如按键A,按下是0.5s闪烁一次,再次按按键A是1s闪烁              一次等等,可以自己自由编写。
            4.任意整数分频
            5.DDS设计
            6.模拟串口通信,比如波特率9600,起始位和停止位各1位,校验位没有。就按              这种方式跟上位机通信看看能否正常工作。这个如果你能实现说明你已经有了              一个质的飞跃,能够基本懂得verilog怎么设计电路了。
            7.SPI通信,也是比较简单的一种协议,不论做主还是从都可以试一下
            8.I2C通信,难度和SPI差不多
            9.学会常见IP核的使用

            在这里小编也附上一些自己学习时候的代码,以及ISE视频教程下面是百度网盘链         接:
            超多实例源码链接:https://pan.baidu.com/s/1tt1W9dlFMI_CqlXd_ksa6A 密码:zkmq
           ISE视频教程链接:https://pan.baidu.com/s/1KfhLXPAYaLq5IFSxemFxvg 密码:g97e
    3
    进阶教程
            总的来说,进阶要掌握以下几点:
            1.时序约束的原因和使用方法,能熟练正确的应用最基本的时钟周期约束,时序例外约束,异步时钟域约束,同步复位的约束,高扇出约束
            2.清楚xilinx芯片内部时钟资源分布,能够知道自己的代码和约束能否让编译器用比较优化的走线布局布线。
            3.清楚内部嵌入式硬核的分布和合理使用
            4.懂得常见的异步时钟域正确传输的常见方法:握手信号,异步FIFO,同步器
            5.能看懂时序报告里面基本的一些参数
    4
    高阶教程
            高阶教程是无止境的,但是如果你学会以下几点你已经步入高手行列:
            1.对FPGA所有常用时序约束和时序例外约束,包括逻辑锁定的方法都能正确使用
            2.能够跟据时序报告做出合理的改进时序的方案
            3.清楚各种时序优化方案的大概极限
            5.能够在FPGA平台上实现一些复杂算法:比如PID调节,FFT变化,FIR滤波器,神经网络等等
            6.对大规模,大吞吐量的逻辑设计能够在需求输入的时候有一个大概的总体方案,大致要能够一下想到时钟方案,复位方案,高速接口方案这些该怎么做,或者能不能做到
            总之,高阶教程会让人离FPGA更远,把FPGA最为一个底层平台去实现一些抽象高深的理论。其实不管是CPU还是FPGA都是工具,工具里面的算法实现才是最重要的。

     

    [1] FPGA从零开始到大神怎么学
    http://www.51openchip.com/forum.php?mod=viewthread&tid=38946&fromuid=2
    (出处: openchip--中国开源芯片社区)

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  • fpga--一个牛人对FPGA的理解--太可怕了!

    万次阅读 多人点赞 2018-12-02 18:26:02
    看到的一个牛人对FPGA的理解,看来FPGA太厉害了! FPGA多数情况下相比ASIC而言,芯片成本大概是100倍的关系,最大的浪费在LUT这里,做出一个LUT-4需要16位存储单元,再加一个4-16译码器,以及其它的连线资源,做成...

    看到的一个牛人对FPGA的理解,看来FPGA太厉害了!
    FPGA多数情况下相比ASIC而言,芯片成本大概是100倍的关系,最大的浪费在LUT这里,做出一个LUT-4需要16位存储单元,再加一个4-16译码器,以及其它的连线资源,做成一个LUT-4,至少需要16&TImes;6+8个晶体管。那么做一个4输入逻辑,设计的好的话如果用晶体管来做最多使用不超过8个晶体管。假设用LUT来做,相当于用了13倍的晶体管来做同样一件事。MUXF和MUXCY占的晶体管反而少很多,用这些部件速度会快很多。LUT本质上是一个16bit存储器,FD是1bit存储器,FPGA本质上大量的存储器,当把FPGA的LUT和FD尽量用于存储器时,资源利用率就高。

    FPGA的优势就在存储带宽上,想想普通一个spartan-3A,20k个lut,每个运行到200MHz,相当于4000Gb/s的带宽,一个先进的CPU的一级缓存的带宽都比这差得远。现在最先进的FPGA,性能相当于这个性能的200倍,想想看这是怎么一个BT的野兽。我的思想是,做同一个设计,尽量把逻辑转化为分布式存储器操作。在一个最优化的逻辑设计里,把逻辑转化为存储器操作后,资源利用率差不多还可以可以提升10倍。当然这个转化过程就要靠悟了。一直以来我强调要学好内功,就是在这些转化过程中体现价值。

    另外,那个存储的事情,由于公司政策和职务的关系,现在不能做出来,这不是技术问题,技术方案3年前就有了,但已经销毁,再等时机。顺便提一下,这个存储的基本思想是大家都知道的,类似LZW压缩,但是样本不是64k而是非常大,大到2的64次方,检索过程复杂度极大,我只是把复杂度最大的检索过程转移到最另一个问题的解决上去了。检索过程的思想是解决搜索引擎问题的,做存储只是把检索过程用在LZW压缩上。

    最近验证了这个思想,资源利用率一下子提升了8倍,我都觉得很恐怖,在spartan-3A中,2000个silices相当于20万门可以实现16个带PLBDMA和PTP的以太网控制器MAC,以前最优化设计只能做2个,xilinx官方的只能做0.5个.第一次思想进步,资源利用率提高了4倍,第二次进步,又提高了8倍.思想这武器太强大了,我都觉得可怕.
    下一步将利用这个思想做一些BT的东西.


    以前看的文章,转载下来的,连接找不到了。。。

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  • FPGA应用领域

    万次阅读 多人点赞 2018-07-15 16:38:29
    FPGA简介 FPGA(Field Programmable Gate Array)于1985年由xilinx创始人之一Ross Freeman发明,虽然有其他公司宣称自己最先发明可编程逻辑器件PLD,但是真正意义上的第一颗FPGA芯片XC2064为xilinx所发明,这个...
  • 许多人问:FPGA是什么?

    万次阅读 2018-05-14 12:38:36
    菇凉提问:做FPGA开发多年,每次菇凉问我,什么是FPGA,我,我,我,不知道如何说起,难以回答。FPGA是一种器件。其英文名 feild programable gate array 。通俗来说,是一种功能强大似乎无所不能的器件。通常用于...
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    最近几年,FPGA这个概念越来越多地出现。例如,比特币挖矿,就有使用基于FPGA的矿机。还有,之前微软表示,将在数据中心里,使用FPGA“代替”CPU,等等。 其实,对于专业人士来说,FPGA并不陌生,它一直都被广泛...
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    万次阅读 多人点赞 2019-02-24 21:27:25
    最近获得去英特尔的FPGA芯片厂参观的机会,我寻思着虽然既然是要去参观,那咱总得对其有所了解吧,不废话了进入正题。 首先,Google启动! FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列 看不懂,...
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    千次阅读 2019-09-14 19:01:10
    流水线设计 前言: 本文从四部分对流水线设计进行分析,具体如下: 第一部分什么是流水线 第二部分什么时候用流水线设计 第三部分使用流水线的优缺点 第四部分流水线加法器举例 第一 什么是流水线 ...
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  • 简单聊聊FPGA的一些参数

    千次阅读 2018-06-20 21:46:42
    笔者:E林1010 在上一篇中,我们已经知道了,FPGA的几个主流厂家和其中Intel家族中FPGA的系列的分类。 上一篇文章链接: https://mp.weixin.qq.com/s/1YufdRZ3Kvvk1znDGu69Og 本文微信公众号链接: ...
  • 如何学习FPGA

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    一、入门首先要掌握HDL(HDL=verilog+VHDL)。 第一句话是:还没学数电的先学数电。然后你可以选择verilog或者VHDL,有C语言基础的,建议选择VHDL。因为verilog太像C了,很容易混淆,最后你会发现,你花了大量...
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    FPGA国内现状  目前中国IC厂商在FPGA这个细分领域和国外巨头的差距远远比其他领域要大。  FPGA技术门槛非常高,核心技术只掌握在及其少数的公司手上,而且xilinx和atlera手头握有6000多项专利,对后进者形成很高...
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    千次阅读 2017-07-30 16:08:13
    项目中说需要用FPGA做CNN加速,FPGA完全没有听说过,所以这几天造成不少困扰(其实是完全把我搞糊涂了),写点东西记录一下 项目组用树莓派?!什么,难道和FPGA不冲突吗 别笑,我知道这个问题很弱智,但却难倒我...
  • FPGA数字信号处理(一)数字混频(NCO与DDS的使用)

    万次阅读 多人点赞 2018-05-30 16:27:36
    这是数字信号处理系列的第一篇,以简单的数字混频为例,介绍在FPGA程序设计中很重要的二进制原码、补码;有符号数、无符号数的问题。本文不是像课本那样介绍这些基础概念,而是介绍很实际的设计方法。 借助于数字...
  • 特权同学2020版《深入浅出玩转FPGA视频教程》 Lesson2 FPGA器件结构 本视频介绍基本的逻辑门电路及其原理、FPGA器件的内部结构,最后通过一段简单的逻辑代码阐释其如何映射到FPGA器件的物理结构中。希望通过本节...
  • 最近几年,FPGA这个概念越来越多地出现。例如,比特币挖矿,就有使用基于FPGA的矿机。还有,之前微软表示,将在数据中心里,使用FPGA“代替”CPU,等等。其实,对于专业人士来说,FPGA并不陌生,它一直都被广泛使用...
  • 国产FPGA市场格局及进展

    千次阅读 2019-05-18 08:49:30
    国产FPGA市场格局及进展 时间:2018-05-26 11:25来源:电子技术应用网 摘要:FPGA作为通信、航天、军工等领域的关键核心器件,是保障国家战略安全的重要支撑基础。近年来,随着大数据、云计算和人工智能的发展,...

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