盘点那些常见的嵌入式开发平台(6):可编程逻辑器件类

FPGA 由大量可编程逻辑单元（LE）和可编程互连资源构成，开发者可借助硬件描述语言（如 Verilog 或 VHDL）来定义数字电路功能。其具有高度可编程性与灵活性，能契合各类设计需求。同时，强大的并行处理能力使其在处理高度并行计算任务时表现卓越。而且，相较于需量产的应用，FPGA 开发成本较低，还能助力工程师快速验证设计概念，在原型设计、快速开发与验证等环节广泛应用，是数字电路领域灵活性与可编程性的重要保障。

1.2. 代表开发板

①Altera DE 系列开发板

特点：Altera（现属 Intel）公司推出的 DE 系列开发板，如 DE10 - Nano 等，具有丰富的资源和接口。配备了高性能的 Cyclone 系列 FPGA 芯片，拥有大量的逻辑单元、嵌入式存储器、乘法器等资源，能够满足各种复杂逻辑设计的需求。开发板上还集成了多种外设接口，如 USB、Ethernet、SD 卡接口等，方便与外部设备进行通信和数据传输。
应用场景：适用于数字信号处理、图像处理、通信系统等领域的开发。例如，在数字图像处理中，可以利用 FPGA 的并行处理能力对图像数据进行实时处理，如边缘检测、图像滤波等。在通信系统中，可用于实现基带信号处理、编解码等功能。

②Xilinx Zynq 系列开发板

特点：Xilinx 的 Zynq 系列开发板将 ARM Cortex - A9 等处理器与 FPGA 可编程逻辑资源集成在同一芯片上，形成了异构多核的体系结构。这种架构结合了处理器的强大运算能力和 FPGA 的灵活可编程性，既可以运行操作系统和复杂的软件应用，又能对硬件逻辑进行定制化设计。开发板提供了丰富的接口，包括高速串行接口、PCI - Express 接口等，支持高速数据传输和复杂的系统集成。
应用场景：广泛应用于工业控制、汽车电子、航空航天等领域。在工业控制中，可用于实现实时监控和控制算法，同时利用 FPGA 对传感器数据进行高速采集和预处理。在汽车电子中，可用于汽车多媒体系统、自动驾驶辅助系统等的开发，实现图像识别、雷达信号处理等功能。

③Lattice iCE40 系列开发板

特点：Lattice 公司的 iCE40 系列开发板以低功耗、低成本为特点。其 FPGA 芯片采用了独特的架构和工艺，能够在实现各种逻辑功能的同时，保持较低的功耗。开发板提供了多种接口，如 GPIO、SPI、I2C 等，方便与外部设备连接。此外，iCE40 系列开发板还支持开源的开发工具和流程，降低了开发门槛，便于初学者使用。
应用场景：常用于物联网、可穿戴设备等对功耗和成本敏感的领域。在物联网应用中，可以作为传感器节点的核心控制器，实现传感器数据的采集、处理和传输。在可穿戴设备中，可用于实现运动监测、心率检测等功能，同时满足设备对低功耗的要求。

④Actel IGLOO 系列开发板

特点：Actel（现属 Microchip）的 IGLOO 系列开发板具有非易失性和抗辐射等特性。其 FPGA 芯片采用了闪存工艺，无需外部配置芯片，上电即可运行，提高了系统的可靠性和稳定性。同时，IGLOO 系列开发板在抗辐射方面表现出色，能够适应恶劣的工作环境。开发板提供了丰富的接口和资源，可满足不同应用的需求。
应用场景：在航空航天、军事等对可靠性和抗辐射要求较高的领域有广泛应用。例如，在卫星通信系统中，可用于实现信号处理、数据传输等功能，确保在太空辐射环境下系统的稳定运行。在军事装备中，可用于武器控制系统、雷达系统等的开发，提高装备的可靠性和生存能力。

二、CPLD（复杂可编程逻辑器件）

2.1. 基础特性

CPLD 融合了可编程逻辑阵列和可编程互连资源，规模更大、灵活性更高，可实现更复杂逻辑功能。一般包含多个可编程逻辑块（PLB），每个 PLB 有可编程逻辑阵列和可编程互连资源，适用于中等规模到较大规模的逻辑设计。

2.2. 应用场景

广泛应用于控制器、接口板、通信设备和嵌入式系统等领域。在控制器中，可根据实际需求灵活编程实现特定控制逻辑；接口板方面，能方便地适配不同设备接口标准；通信设备里，对信号处理、协议转换等逻辑功能实现提供支持；嵌入式系统中，为系统的逻辑控制部分提供可靠解决方案。

三、PLA（可编程逻辑阵列）与 PAL（可编程逻辑门阵列）

3.1. 基础特性

PLA 和 PAL 属于较早的可编程逻辑器件。PLA 由与门和或门构成，PAL 由 AND 阵列和可编程的 OR 阵列组成。它们输入和输出固定，仅部分逻辑功能可编程，灵活性和规模相对 FPGA 和 CPLD 较小。

3.2. 应用场景

适用于小型控制电路和状态机等中等规模的逻辑设计。例如在一些简单的工业控制设备中，用于实现基本的控制逻辑；在数字电路实验教学中，作为基础的逻辑器件供学生学习和实践。

四、PSoC（可编程片上系统）

4.1. 基础特性

PSoC 集成了可编程逻辑和模拟功能，拥有可编程数字和模拟资源，可实现复杂系统级集成，具备高度集成度和性能优势。

4.2. 应用场景

在嵌入式系统、传感器接口、自动化控制和智能家居等领域应用广泛。在嵌入式系统中，能减少外部芯片数量，简化系统设计；传感器接口方面，可灵活适配不同类型传感器，进行数据采集和处理；自动化控制领域，实现对各种设备的精确控制；智能家居中，为智能家电、安防系统等提供集成化解决方案。

五、PLS（可编程逻辑解决方案）

5.1. 基础特性

PLS 集成了可编程逻辑、处理器核心和其他功能模块，具有更高集成度和性能，可在单个芯片上实现复杂系统级设计。

5.2. 应用场景

广泛应用于高性能计算、通信设备、图像处理和人工智能等领域。在高性能计算中，提供强大的并行计算能力；通信设备中，实现高速数据处理和复杂协议栈；图像处理领域，对图像进行快速处理和分析；人工智能方面，助力实现一些简单的人工智能算法，如边缘计算设备中的图像识别预处理。

综上所述，可编程逻辑器件类嵌入式开发平台各具特色与优势。在实际项目开发中，开发者需依据项目具体需求、资源条件、成本预算、功耗要求等多方面因素，综合考量并谨慎选择最适宜的开发平台，以确保项目高效、优质完成。

六、参考资料

Xilinx、Intel 等官方文档：这些可编程逻辑器件厂商的官方网站提供了丰富的技术文档、数据手册、应用笔记、开发指南等资源，对于了解其产品的特性、功能以及开发流程非常有帮助。例如 Xilinx 的 Vivado 设计套件文档，以及 Intel 的 Quartus Prime 开发软件相关文档等。
相关技术论坛和社区：如 FPGA 开发论坛、嵌入式系统开发社区等，开发者们会在这些地方分享自己的开发经验、遇到的问题及解决方案，还会讨论各种可编程逻辑器件类嵌入式开发平台的应用案例和设计技巧等，是获取实践经验和最新信息的良好途径。
《嵌入式系统软硬件协同设计实战指南》：本书由浅入深地阐述了如何利用 Zynq 平台进行嵌入式系统以及软硬件协同设计的开发。内容分为基础篇与进阶篇，基础篇介绍了 Zynq 器件、Zedboard 及简单入门实验，还针对软件开发人员增设了 FPGA 硬件加速等内容；进阶篇对利用 Zynq 进行软硬件协同设计，以及处理器与可编程逻辑接口等技术进行了详细剖析。