FPGA 的强大功能：释放建模、仿真和测试的实时性能

在不断发展的技术环境中，对实时计算解决方案的需求猛增。从汽车设计到航空航天工程，准确建模、模拟和测试复杂系统的能力至关重要。现场可编程门阵列 (FPGA) 是一种强大的硬件解决方案，它正在彻底改变我们处理实时应用的方式。在这篇博文中，我们将深入研究 FPGA 领域，探索其优势、应用以及展示其卓越功能的真实示例。

了解实时系统

在深入 FPGA 世界之前，我们有必要了解实时系统的概念。实时系统涵盖了计算系统中各种级别的响应能力，从时间灵活的非实时系统到硬实时系统，其中哪怕是几分之一秒的延迟都可能导致灾难性后果。

在深入 FPGA 世界之前，我们有必要了解实时系统的概念。实时系统涵盖了计算系统中各种级别的响应能力，从时间灵活的非实时系统到硬实时系统，其中哪怕是几分之一秒的延迟都可能导致灾难性后果。

建模、仿真和测试：系统开发的支柱

在实时系统领域，建模、仿真和测试起着关键作用。建模涉及创建真实世界系统或现象的数学表示，而仿真则涉及在各种条件下运行这些模型以观察和分析其行为。另一方面，测试通过将模型和模拟的预测与真实世界数据或实验结果进行比较来验证模型和模拟的准确性和可靠性。

这一领域的口号是“尽早测试，经常测试”，以降低开发周期后期的风险，并准确地表示、分析、预测和验证系统行为。实时建模、仿真和测试通过利用计算资源和虚拟环境，为系统开发和验证提供了一种经济高效且资源高效的方法。

FPGA 在实时应用中的优势

FPGA 凭借其固有的架构和功能在实时应用中表现出色。与执行时间可能出现波动的传统 CPU 或 GPU 不同，FPGA 凭借其固定的硬件配置提供确定​​性行为。这种可预测性在安全关键型应用中非常宝贵，因为处理时间的偏差可能会造成严重后果。

FPGA 可以实现针对特定应用或模型量身定制的电路，尤其是那些可以从并行性中获益的应用或模型。通过在电路中布置并行路径，FPGA 可以实现纳秒级响应时间，非常适合低延迟和确定性处理。

FPGA 的一个关键优势是其灵活性。与专用集成电路 (ASIC) 不同，专用集成电路是为特定目的而设计的，制造后无法修改，而 FPGA 可以重新编程以适应不断变化的需求。这种灵活性在快速发展的技术世界中尤其有益，因为在这个世界中，新的算法和模型不断被开发出来。

真实世界示例：并发实时、Altera 和 FPGA

为了说明 FPGA 在实时应用中的强大功能，让我们来探讨一个来自 Concurrent Real-Time 的真实示例，Concurrent Real-Time 是一家专门提供建模、仿真和测试实时解决方案的公司，其与领先的可编程逻辑解决方案提供商 Altera（现为英特尔可编程解决方案事业部的一部分）建立了合作伙伴关系。

Altera 的优势

Altera 一直处于推动 FPGA 进步的前沿，提供革新行业的创新解决方案。从将第一款可编程逻辑器件推向市场到推出具有 116 Gbps 收发器和芯片设计的 FPGA，Altera 一直在不断突破可能的界限。

Altera 致力于提供易于设计和部署的市场领先可编程逻辑器件，并与 Concurrent Real-Time 等公司合作，以解决和推动各行各业的业务发展。随着人工智能等先进技术的不断发展，越来越多的公司开始使用 FPGA，因为它们具有灵活性，允许随着技术进步对硬件进行定制和重新编程。

Altera 的综合产品组合涵盖高端高性能芯片到中端成本优化解决方案，为实时应用提供了强大的生态系统。该生态系统包括软件和 IP 开发工具，例如 Quartus 编译器、AI Suite、P4、DSP Builder 和开源 OpenFPGA 堆栈，这些工具有助于快速、简单地部署 Altera 的硬件。

此外，Altera 对长期支持和强大生态系统的承诺确保客户可以长期利用他们的 FPGA 解决方案，最大限度地减少频繁升级的需要并最大限度地提高他们的投资。

Concurrent Real-Time 与 Altera 的合作伙伴关系

Concurrent Real-Time 与 Altera 之间的合作产生了强大的协同效应，特别是对于需要实时、高吞吐量和确定性解决方案的行业，例如金融、航空航天和国防、汽车和电信。Concurrent Real-Time 专注于使用 RedHawk Linux 实时操作系统和其他生态系统的实时解决方案，这使其成为理想的实时 FPGA 合作伙伴。

Concurrent Real-Time 和 Altera 共同取得了巨大成功，为航空航天和国防 OEM 提供了基于 Altera 的 FPGA 和 Concurrent 开发板，用于测试和集成发射系统，以及用于汽车应用的硬件在环测试系统，包括自动驾驶汽车和赛车的车载系统。

Altera 的 FPGA 具有灵活性和并行可编程性，是实时应用的理想选择。Concurrent Real-Time 的 IP 和易于使用的软件框架与 Altera 的硬件和组件相结合，可最大程度地提高效率和性能。这种合作关系可以为特定行业提供量身定制的解决方案，确保客户能够利用软件的灵活性和硬件的强大功能来满足他们的实时应用需求。

在混合动力汽车示例中，团队可以利用 PWM（脉冲宽度调制）、曲轴和凸轮轮转速传感器、LVDT（线性可变差动变压器）和 RVDT（旋转可变差动变压器）传感器、电机模型、逆变器模型和磁场定向控制器等模型。这些模型可以无缝集成到 FPGA 固件中，从而实现对车辆组件和子系统的实时仿真和测试。

FPGA Workbench 软件具有直观的图形用户界面 (GUI)，非 FPGA 工程师只需将库块拖放到画布上，即可轻松创建、配置和编程 FPGA 固件。这种用户友好的方法打破了障碍，使更广泛的工程师能够在实时应用中充分利用 FPGA 的强大功能。

固件创建完成后，可以对其进行编译并写入 FPGA 板，该板集成到 Concurrent Real-Time 的实时计算机系统中，该系统运行 RedHawk Linux 实时操作系统。然后，Simulation Workbench GUI 提供对 FPGA 模型的访问和控制，允许实时调整和监控参数。

通过该集成解决方案，该团队可以在各种实时条件下模拟和测试混合动力汽车的组件，确保在进入更高级的测试阶段（例如硬件在环（HIL）和驾驶员在环（DIL）模拟）之前准确地表示和验证系统行为。

FPGA 在实时应用中的未来

随着技术的不断发展，对实时计算解决方案的需求只会增加。FPGA 具有确定性行为、低延迟和灵活性，有望在应对未来挑战中发挥关键作用。

FPGA 有望在人工智能和机器学习领域做出重大贡献。FPGA 能够实现针对特定算法优化的定制硬件架构，因此可以在实时物体检测、自动驾驶和预测性维护等应用中提供无与伦比的性能和效率。

此外，FPGA 与 CPU 和 GPU 等其他处理单元的集成具有巨大的潜力，可以为特定实时应用量身定制异构计算平台。通过利用每种架构的优势，这些混合系统可以提供无与伦比的性能，同时满足实时系统的严格时序要求。

结论

在实时建模、仿真和测试领域，FPGA 已成为一项改变游戏规则的技术，提供无与伦比的灵活性、确定性行为和低延迟处理。通过 Concurrent Real-Time 与 Altera 之间的强大合作关系，工程师可以利用 FPGA 的功能来创建先进的实时解决方案，从而突破创新界限。

无论是设计下一代混合动力汽车、开发任务关键型航空航天系统，还是探索人工智能领域的尖端应用，FPGA 都将在实现实时性能以及确保未来技术的安全性和可靠性方面发挥关键作用。