[转帖]FPGA在控制领域的应用（兼谈nios的用途） FPGA, nios, 用途, 转帖, 领域

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发起者： 在控制领域，如果从开发产品的角度来说，传统的mcu或者dsp处理器更加符合要求，技术成熟，开发进度可以保证。
采用fpga实现，相应难度提高，如果没有合适的人员，相应的开发周期较长，当然，对于科研院所，我肯定推荐用fpga实现，这样能够保证技术上的先进性，容易争取到经费的支持。
采用fpga，那么对于controller来说，有两个选择：
1）利用nios2实现控制器，这种方法的好处是自定义软核cpu后，开发过程和传统的mcu系统没有太大的分别，不必关心内部时序等问题，浮点也有现成的支持，基本上不存在太大的难度。但我个人不推荐使用nios2作为控制器，因为对于控制系统而言，硬实时（hard real-time）是第一要素，采用nios2这种相对还不太成熟的方案（包括开发环境等等），不容易保证整个系统的可靠性。至于nios2为什么不成熟，请参见后面的叙述。
2）采用vhdl来实现控制器，这种方法的缺点不言自明，开发难度较前面两种大了许多，对于浮点计算，即使采用商业IP（altera也提供加减乘等浮点megafunction），还有很多复杂工作，最简单来说，实现一个pi控制器，也需要对于fpga内部时序、流水线等有一定了解方可成功。当然好处也很明显，首先实时性问题自然不在话下，另外从申请纵向经费来说，也是一个很好的点。对于数据后处理、通讯等次要功能，可以采用nios2来实现，这样整个系统就可以比较完整。
总结一下我的意见：
1：如果是做产品，并打算把该产品推向市场**，用mcu或dsp处理器吧
2：如果是做项目，并打算在初期利用项目申请到相关经费的支持，那么可以考虑用fpga，利用vhdl做controller，用nios2去实现通讯、数据处理、人机交互等辅助功能。
3：至于浮点IP（控制领域难免涉及到浮点运算），用相关商业ip（一般来说有加减乘除，浮转整，整转浮等功能）或者altera的IP（只有加减乘）都可以，但最关键的问题是要有良好的技术支持，就国内来说，目前用fpga做运算还比较少，相关人员也比较缺乏，因此技术支持非常重要。

（意见1）：所言及是，深有同感啊，目前FPGA上做应用，这速度不敢恭维，DSP几百上千的MIPS够FPGA赶的，象AVR等众多8位芯片以性价比占据了应用的半壁江山，但新事物刚出来时都是稚嫩的，FPGA的灵活性是不可比拟的，它可以集成众多的IP，其未来恐怕不是一个简单的开发用芯片，可能是一个完整的应用开发平台，所以需要盯着它的发展，跟踪技术进展。

（意见2）：FPGA里的那么多DSP Block你不好好用，当然觉得还不如DSP芯片。

（意见3）：NIOS的实时性不错的。灵活的结构可以让设计人员充分发挥。我用过普通级别的ARM9和PowerPC，在100m的IP网络接口的表现上都一般。实测传输速度都没超过45M的。而NIOS/S在50M的工作频率下可以超过70M。当然，开发环境不完善到是真的，有待改善。不过前途是光明的，否则为何XILINX和LATTICE都迫不及待的跟进推出类似的解决方案。

（意见4）：控制领域设计的范围太广了，传感器，电机控制，汽车电子，人工智能等等。对于需要实时处理大量的采样数据并且进行数学模型运算的应用，fpga本身也难有应用之处，一般都是dsp或dsp阵列设计。至于真正的中国军工，我知道他们使用嵌入式的linux,且所有的代码是开发工程师重写的。vxworks太贵了。

（意见5）：难用的主要原因是基于VHDL代码编写比较复杂，在用dsp处理器设计控制系统的时候，只需要用c语言等高级语言来编写相应的算法即可，不需要考虑这些算法在处理器中是如何具体执行的，用vhdl则不一样，每一步都需要有精确的考虑。我们前不久在fpga上移植了pc机上一段不超过100行的fortran程序，最终vhdl代码超过了10万行，这是fpga无法得到大量应用的根本原因。
至于nios，如果采用它来做系统的话，定制好cpu以后，和传统的dsp处理器或者mcu并没有太大的分别，无非就是多了一些自定义的指令（这个有点类似于dsp处理器中的专用指令的概念），我认为在控制领域，nios虽然大大简化了系统设计的难度（用c代替了vhdl），但就目前来讲，相比较于传统的mcu和dsp处理器，后者更加成熟了。
要想把fpga用到控制领域，我个人最看重的实际上还是前面提到的的硬实时部分，因为硬件才是fpga的根本，这方面，altera和xilinx实际上应该也有所考虑，dspbuilder和system generator的推出就是为了解决代码实现难度较大的问题，当然现在还都不是很完善，但这种基于G语言的代码自动生成的工具应该是硬实时模块实现的一个方向。具体可以看那篇sopc理解的帖子。
如果仅从性能上来考虑，fpga的实时性和处理能力与相应的dsp处理器不在一个档次上，前者是硬件的解决方案，前面说的那个fortran的例子，我们用fpga实现以后，相对于原有的主流pc平台，计算性能提高了2个数量级以上。
至于dsp阵列，那是没有办法的办法，实在是为了增加处理性能，不得已而为之，从系统设计的角度来说，肯定是不可取的，采用dsp阵列，会带来很多其他问题，比如通讯，比如协同工作，再比如硬件设计的复杂性。
最后说一点，据我所知，军工上好像大量采用的还是vxworks这样的商业系统，embedded linux目前应该还停留在实验阶段了，rtlinux可能会有一些应用

（意见6）：分析的很有道理。fpga设计的好可以实现真正的实时运算。我们也曾将在DSP上实现的数字图像压缩预处理和部分算法移植到FPGA上，得到惊人的结果。但是也因为过程的艰难而没有继续下去。NIOS的乐趣是在当你进行上层软件设计的时候，可以随时根据需要去修改和添加新的硬件，多弄几个DMA，增加条总线，设计个新的单周期命令等等，很酷的。