超越了数字信号处理器的运算能力

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下图是一个相对比较复杂的数据采集分析系统。从图中可以看出，中心两个最重要的单元，一个是ARM处理器、一个是FPGA，其中FPGA做了AD的采集，RS232的通信拓等。ARM做的任务较多，这里就不罗列，大家可以自行分解。可能很多人疑惑，为什么这里需要用两个处理单元，一个ARM不就搞定了吗？所以这里就需要大家对FPGA有一个认识，FPGA利用硬件并行的优势，打破了顺序执行的模式，在每个时钟周期内完成更多的处理任务，超越了数字信号处理器（DSP）的运算能力。

所以简单一句话就是，FPGA处理事情的实时性很高。举个例子，比如你要同时买一瓶水和一袋饼干，ARM的做法是有时间顺序的，先水后饼干，或者反之。但是FPGA就是同时的，没有先后顺序。从这里，我们就可以知道FPGA的最大优点就是并行处理任务的能力。所以在这里如果我们通过ARM去采集数据，那么在采集的过程中，肯定会被其他任务，如继电器驱出发驱动等介入，这样我们采集到的数据就会产生延时，导致不能实时的反应出传感器的变化。导致不满足要求。而利用FPGA就轻松的解决了这个问题。

上述分析，我们来看单片机时代，人们通过MCU实现一些简单的控制与显示，但是随着任务越来越复杂，功能越来越多，通信带宽越来越高，处理速度越来越快。当时的MCU早已经不能满足我们的需求。随后出现了更高性能的CPU，但是同样高性能的CPU可以处理大多数任务，但是在实时性要求较高的场景，运算能力却无法满足。所以FPGA产生了。从下图看出，越往后在运算处理的硬件平台上，CPU+FPGA将是趋势。

在我们的《ADC信号链第2部，高速模数混合电路设计》中，我们使用的就是ZYNQ，这是XILINX在最近几年出的一款FPGA+ARM集成在一起的芯片。很明显，这样的芯片在应用中占地面积小，总线带宽速率高，既有FPGA的实时性，同时也兼顾了ARM的运算、通信能力。但是因为目前市场占有率不高，稳定性有待验证，价格昂贵。导致没有能正在的流行开来。但是笔者相信，未来这样的集成芯片一定会大放异彩。

那么在无法使用集成芯片时，我们也可以使用其他的架构来构建我们的运算平台。

比如在对实时性要求高、IO口资源紧张、通信运算处理要求能力一般的项目中，可以考虑用单独的FPGA来实现，价格便宜且可以很好的完成功能设计。

在通信接口较多、功能复杂、实时性要求不高的应用中，可以考虑ARM，同时如果系统中包含比较复杂的逻辑，可以在ARM的基础上增加一颗STM32或者其他的MCU来实现。

最后，在功能复杂、实时性要求也很高的场合，ARM+FPGA的架构就成了一个标准框架。通常ARM用作核心处理芯片，相当于人的大脑，而FPGA作为底层实践、实现者，完成大部分电路驱动和数据采集处理，做一个不恰当的比喻，FPGA相当于人的四肢。在设计中，通常要衡量到底哪些事情需要ARM完成，哪些事情需要FPGA完成，完成的质量如何，效率如何。

上述简单描述了当前嵌入式系统的运算处理架构，其实在系统设计之初，如果处理器框架选好了，电路设计就成功一半了，所以希望大家对这块进行深入研究。