2、FPGA 图像处理器：原理、应用与编程

FPGA 图像处理器：原理、应用与编程

1. FPGA 与 CPU 计算能力增长趋势

近年来，FPGA 的速度和复杂度每年分别增长约 40%和 60%，计算能力每年提升超过两倍，这证实了 Vuillemin 的预测。而 CPU 的计算能力在过去 40 年也呈指数增长，据 Thacker 所说，其在 30 多年里以每年 1.25 倍的速度稳定增长，即每 3 年计算能力翻倍。如果这些趋势保持稳定，FPGA 的性能提升速度将远快于 CPU。原因在于 CPU 的计算能力主要得益于制程技术进步带来的最大频率提升，架构改进的影响相对较小；而 FPGA 能直接利用制程和架构两方面的优势，更多的逻辑单元可直接用于实现更高程度的并行计算。鉴于 FPGA 在位级算法和整数运算方面的优势，预计其协处理器将在图像处理领域发挥重要作用，甚至一些需要浮点运算的算法也会越来越适用于 FPGA 协处理器。

2. 基于 FPGA 的图像处理系统

1989 年，即 FPGA 问世 5 年后，首批基于 FPGA 的计算机出现，其基本理念是构建以 FPGA 阵列作为计算核心的新型计算机。和传统冯·诺依曼计算机一样，通过下载合适的配置位流（软件）来运行任意应用。

最初的 FPGA 处理器是为追求最大计算能力而优化的大型系统，由数十个 FPGA 组成，其计算能力达到甚至部分超越了超级计算机。例如，一个 DNA 测序应用的性能比 CRAY - II 快 325 倍，还有世界上最快的 RSA 实现。部分机器上实现了多种任务，大量图像处理应用展示了 FPGA 处理器在该领域的潜力。

大型 FPGA 处理器通常凭借自身高速优势独立运行应用，主机仅提供支持功能。但典型的图像处理系统通常需要