方寸知识篇 - 数字图像处理（四）- FPGA与图像处理

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已于 2022-10-19 15:40:58 修改 · 2k 阅读

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#fpga开发 #图像处理

于 2022-10-19 15:17:53 首次发布

本文探讨了FPGA（现场可编程门阵列）在图像处理领域的广泛应用，由于其硬件并行的优势，FPGA能提供超越传统处理器的性能。FPGA通过预建的逻辑块和可编程资源实现定制硬件功能，适用于需要实时处理和高效率的图像算法。各大FPGA厂商如Xilinx、Altera等提供了不同系列的产品，满足不同性能和成本需求。FPGA的开发流程包括设计输入、功能仿真、逻辑综合、布局布线及下载调试等步骤，确保了设计的准确性和高效性。

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随着图像分辨率大幅提升，和图像算法复杂度的推动，传统的串行处理器已经无法满足实时处理的需求了。因此多核处理器、GPU以及FPGA很快在实时图像处理领域得到了迅速的发展。FPGA通过每个功能建立单独的硬件来实现整个应用程序所需要的逻辑功能，这就使得FPGA很适合做图像处理，尤其是采用流水线来处理视频流。

现场可编程门阵列简称FPGA(Field Programmable Gate Array)，是基于PAL、GAL、CPLD等可编程器件上发展起来的。PAL是与阵列可编程或阵列固定，缺点就是采用熔丝工艺，只能做单次编程，并且输出是固定的无法编程----一旦芯片选定，那么输出结构将不会改变。GAL可重复编程，与PAL最大的区别就是输出结构可以由用户自己定义，缺点是结构简单且IO数量有限。CPLD是IO控制单元、宏单元和互联矩阵组成，它只有512个宏单元，大部分是组合逻辑，难以实现复杂的时序逻辑设计，并且功耗很大。

随着工艺的发展，FPGA登上了历史舞台，它是作为专用集成电路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量有限的缺点。FPGA内部资源丰富，时序电路和组合电路都非常丰富，且体积小功耗低，从数码设备到航空航天都能见到FPGA的身影。

FPGA是可编程的硅芯片，使用预建的逻辑块和可重新编程的布线资源，就能配置这些芯片来实现自定义的硬件功能。用户在软件中开发数字计算任务，并将它们编译成配置文件或比特流。其中，包含元器件相互连接的信息。此外，FPGA可完全重配置，当用户在重新编译不同的电路配置时，能够当即呈现全新的特性。

各行业纷纷采用FPGA是源于FPGA 融合了ASIC和基于处理器系统的最大优势。FPGA能够提供硬件定时的速度和稳定性，并且无