FPGA、单片机、DSP之间的区别与应用场景全面解析

  单片机和FPGA的区别，本质是软件和硬件的区别。

FPGA的本质与基础

FPGA设计属于硬件领域，却独具特色，其硬件具备编程能力。本质上，它由一系列逻辑门构成，诸如与非门、或非门、触发器等基础数字元件。编程过程决定了所需元件的数量及其连接方式。以小型数字电路实验为例，学生可通过简单的编程操作，操控这些基础元件，实现特定的功能。

FPGA作为半定制电路，诞生于ASIC领域。它既弥补了定制电路成本高、周期长的缺陷，又解决了传统可编程器件门电路数量不足的问题。在电子设备研发初期，由于传统可编程器件门电路不足，研发受到限制。FPGA的出现完美解决了这一难题。

与CPU的协作模式

起初，编写FPGA代码较为繁琐，且在控制方面功能有限，因此通常与CPU共同运作。具体来说，CPU会将复杂的算法任务委托给FPGA来处理，FPGA完成计算后，再将处理结果反馈给CPU。以高性能计算机图像处理系统为例，CPU承担起整体协调的任务，将图像算法的计算部分交给FPGA，这样显著提升了系统的运行效率。

两者配合能够各自展现长处。CPU在控制和指令调度方面表现出色，而FPGA则在并行计算方面具有优势。在当前的人工智能计算领域，众多方案都选择了CPU与FPGA的协同工作，从而显著提高了系统的性能。

IP核的作用

IP核是通过硬件描述语言将专用集成电路进行定义，然后将其烧录至FPGA中，从而形成特定的电路。这种方式无需额外搭建芯片，所有电路都能在单个FPGA上实现。在小型开发板的设计中，IP核被用来集成多种功能，从而减小了电路板的整体尺寸。

采用IP核能提升FPGA开发的速度和可靠性。开发者无需从头做起设计各类功能电路，借助现成的IP核，能迅速构建出符合要求的系统。例如，在工业控制设备领域，运用成熟的IP核可以加速产品的研发进程。

单片机的控制角色

单片机在系统中扮演着总调度员的角色，负责提供各类接口以实现对整体的管控。它能够协调FPGA、CPU等不同部件的运作。在智能家居控制系统里，单片机承担着接收用户指令的任务，随后指挥FPGA对传感器数据进行处理。

简单功能的实现，单靠CPU独立操作即可。然而，面对复杂的系统，单片机的协调作用变得尤为关键。以大型自动化生产线为例，单片机需指挥多个FPGA模块和CPU协同工作，以保证生产线的平稳运作。

与DSP的对比

DSP是一种特殊的微处理器，它拥有完备的指令集，擅长处理大量数字信号。它采用了哈佛架构，将数据总线与地址总线分离，程序与数据各自存储，这使得指令的读取与执行可以同时进行，因而编程既迅速又便捷，非常适合用于算法的测试。在众多音频处理设备中，DSP常被用于音频算法的测试工作。

FPGA编程速度较慢，操作也较为复杂，因此不太适合用于算法的验证。然而，一旦编程完成，它能够支持流水线操作，并且具有较低的延迟。以高速通信系统为例，对延迟的要求非常高，而FPGA在此方面展现出其独特的优势。

FPGA的应用优势

FPGA具备执行各类数字器件功能的本领，从高端的CPU到基础的74电路均可胜任。借助FPGA进行数字电路开发，能显著缩短设计周期、缩小PCB板面积，并增强系统稳定性。以航空航天领域的电子设备设计为例，FPGA的运用十分广泛，因为它能满足对体积小巧和可靠性高的需求。

void IMG_median_Row( const unsigned short *restrict i_data, int n, unsigned  short *restrict o_data)
{
    const    int     *line0,       *line1,       *line2;
    int              *line_y;
    int              i;
    unsigned int     R00,          R10,          R20;
    unsigned int     R01,          R11,          R21;
    unsigned int     x0_01,        x1_01,        x2_01;
    unsigned int     R_max1,       R_min1,       R_min2;
    unsigned int     row0_pk,      row1_pk,      row2_pk;
    unsigned int     min_max,      med_med,      max_min;
    unsigned int     med_max1,     med_min1,     med_min2;
    unsigned int     median2;
 
    line0  = (int *) i_data;
    line1  = (int *) (i_data + n);
    line2  = (int *) (i_data + n * 2);
    line_y = (int *) o_data;
 
    R00    = 0x00000000;
    R10    = 0x00000000;
    R20    = 0x00000000;
 
    _nassert(          n       >= 4);
    _nassert(          n  % 4  == 0);
    _nassert((int) line0  % 8  == 0);
    _nassert((int) line1  % 8  == 0);
    _nassert((int) line2  % 8  == 0);
    _nassert((int) line_y % 8  == 0);
 
    #pragma MUST_ITERATE(2,,2)
    #pragma UNROLL(2)
    for (i = 0 ; i < n; i += 2)
    {
         
        x0_01    = *line0++;
        x1_01    = *line1++;
        x2_01    = *line2++;
 
 
        R_max1   = _max2(x0_01,x1_01);  
        R_min1   = _min2(x0_01,x1_01);
        R_min2   = _min2(R_max1,x2_01);
 
        R01      = _max2(R_max1,x2_01);
        R11      = _max2(R_min1,R_min2);
        R21      = _min2(R_min1,R_min2);
 
        row0_pk  = _packlh2(R01,R00);
        row1_pk  = _packlh2(R11,R10);
        row2_pk  = _packlh2(R21,R20);
    
        min_max  = _min2(R00,R01);
        min_max  = _min2(min_max,row0_pk);
  
        med_max1 = _max2(R10,R11);
        med_min1 = _min2(R10,R11);
        med_min2 = _min2(med_max1,row1_pk);
        med_med  = _max2(med_min1,med_min2);
 
        max_min  = _max2(R20,R21);
        max_min  = _max2(max_min,row2_pk);
 
        med_max1 = _max2(min_max,med_med);
        med_min1 = _min2(min_max,med_med);
        med_min2 = _min2(med_max1,max_min);
        median2  = _max2(med_min1,med_min2);
 
        *line_y++ = median2;    
 
        R00 = R01;
        R10 = R11;
        R20 = R21;
    
    }
}
 
void MedianFliter(const unsigned short *restrict Image_In, unsigned short *restrict Image_Out,int Row,int Column)
{
    int i;                                    
    for(i = 0; i < Row; i++)
     {
       IMG_median_Row((Image_In+ i * Column), Column, (Image_Out+ i * Column));
      } 
}