FPGA（Field－Programmable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。主要用于信號處理及各類高速模擬仿真。

以PWM信號的捕獲為例，說明FPGA與CPU（不考慮芯片專用外設）在處理上的差異。當CPU通過GPIO對PWM信號采樣時，受限于CPU的運算周期，無法做到高速的采集，獲得的信號與原始信號有較大偏差，并計算出錯誤的占空比：

采用FPGA這種“硬電路”的方式采集信號，可以有效獲得信號的信息，誤差取決于采樣周期（如100MHz下約為10ns）：

對于實時仿真而言，模型的計算只需要占空比信息即可，因此FPGA可以作為系統(tǒng)的“協(xié)處理器”存在，負責信號處理或高動態(tài)性部分模型運算，并將結果與CPU交互：

FPGA算法開發(fā)

FPGA的開發(fā)與傳統(tǒng)CPU、DSP的開發(fā)有很大不同。FPGA以并行運算為主，以硬件描述語言HDL來實現(xiàn)。開發(fā)者需具備較強的數(shù)字電路知識及邏輯思維能力。

MATLAB/Simulink平臺的HDL Coder工具箱，有效的降低FPGA算法開發(fā)的難度；使工程師只需具備基礎知識即可在Simulink環(huán)境中搭建FPGA算法，并最終部署在Speedgoat或自己的FPGA平臺上。以Speedgoat平臺為例，基本步驟如下：

1. Simulink環(huán)境中搭建算法模型

開發(fā)者可以使用Simulink環(huán)境中的HDL Coder/DSP System Toolbox/Communication System Toolbox/ Vision HDL Toolbox等工具箱開發(fā)算法，并將算法放置在Subsystem內，仿真調試。Simulink環(huán)境支持以單精度浮點的方式開發(fā)FPGA算法，大大降低開發(fā)難度。

2. HDL Workflow Advisor

在Subsystem上右鍵選擇HDL Workflow Advisor，并在彈出的界面中依次設置FPGA板卡、芯片主頻，以及Subsystem inport和outport與硬件板卡IO通道的映射關系：

依次完成Workflow Advisor后續(xù)的task。HDL Workflow Advisor會完成模型檢查、HDL代碼生成、綜合、分析、映射等工作（需要Xilinx相關軟件，僅在后臺調用）。在此過程中，依據設置，HDL Coder可以完成Delay Balance，關鍵路徑尋找、代碼模型鏈接等功能。

最終HDL Workflow Advisor可以生成一個接口模型，取代原先的算法Subsystem：

3. 編譯下載運行

FPGA模型部分編譯完，進一步完成整個模型的編譯，生成可執(zhí)行程序下載到Speedgoat硬件上，系統(tǒng)會自動區(qū)分CPU和FPGA，并配置兩者間的通訊。

完整的流程如下：

詳細流程可參見HDL Coder工具箱的幫助文檔及Speedgoat相應幫助文檔。

在不遠的將來，MATLAB將完善物理模型對HDL代碼生成的支持。屆時物理模型在完成離線仿真后，可直接遷移到Speedgoat實時仿真平臺，無縫過渡到基于FPGA的半實物仿真測試階段，這對于電氣、電力電子領域有重要的意義。

Speedgoat FPGA解決方案

基于HDL Coder的模型化算法開發(fā)基礎上，Speedgoat針對不同的應用領域，提供了大量的可編程FPGA硬件模塊：

各模塊具備不同的IO通道和芯片資源，完全支持HDL Coder的模型化算法開發(fā)。當單FPGA模塊資源不夠時，可通過Xilinx Aurora協(xié)議，將彼此直接連接，組成更大規(guī)模的FPGA“計算集群”：