MCU是Microcontroller的缩写，中文翻译是微控制器，可以简单理解为集成在单一芯片上的微型计算机，它有运算器、控制器、存储器、总线及其他外设，采用存储程序执行的方式，对MCU的编程就是对其中的ROM写入程序，系统上电后ROM中的程序会像计算机内存中的程序一样得到逐条地执行。MCU相当于一个微型的计算机芯片，因此，也有地方把MCU称为单片机。MCU用途比较广，几乎所有电子产品都可以找到MCU的身影。
FPGA是Field Programmable Gate Array的缩写，中文翻译为现场可编程门阵列，它是在硅片上预先设计实现的具有可编程特性的集成电路，它能够按照设计人员的需求配置为指定的电路结构，让客户不必依赖由芯片制造商设计和制造的 ASIC 芯片。广泛应用在ASIC原型验证、网络通信、汽车电子、工业控制、航空航天、视频监控、数据中心等领域。
从以上描述来看，MCU和FPGA两者之间的差异还是很大的。
1、结构上的区别
MCU是一种微处理器，类似于电脑CPU，通常采用哈佛总线结构，或者冯诺依曼结构，对单片机的编程很大程度上要考虑到它的内核架构（比如ARM内核）和各个寄存器的作用。FPGA的结构是基于查找表（LUT）的结构，LUT本质上就是一个RAM，FPGA中多使用4输入的LUT，所以每一个LUT可以看成一个有4位地址线的RAM。当用户通过原理图或HDL语言描述了一个逻辑电路以后，FPGA开发EDA软件会自动计算逻辑电路的所有可能结果，并把真值表（即结果）事先写入RAM，这样，每输入一个信号进行逻辑运算就等于输入一个地址进行查表，找出地址对应的内容，然后输出即可。FPGA可以看作是纯粹的数字电路，其程序不用考虑芯片的结构，自由度非常大。从 FPGA 内部结构来看，主要包括：可编程输入/输出单元（I/O）、可编程逻辑块（LC）、 完整的时钟管理（CMT）、嵌入块式 RAM（BRAM）、布线资源、内嵌的底层功能单元和专用硬件模块等。
2、代码的执行方式上的区别
MCU无论是哈佛总线结构或者冯诺依曼结构均为取指到执行，指令是顺序执行的（即使是中断/异常，其发生后的中断服务程序也是顺序执行的）；而FPGA是基于逻辑门和触发器的，它是并行执行方式，没有取指到执行这种操作。简单来说，就是通过烧写文件去配置查找表的内容，从而在相同的电路情况下实现了不同的逻辑功能，数字电路中所有逻辑门和触发器均可以实现，它适合真正意义上的并行任务处理。FPGA程序在编译后实际上是转换为内部的连线表，相当于FPGA内部提供了大量的与非门、或非门、触发器等基本数字逻辑器件，编程决定了有多少器件被使用以及它们之间的连接方式。通过编程，用户可对FPGA内部的逻辑模块和I/O模块重新配置，以实现用户的逻辑。它还具有静态可重复编程和动态在系统重新配置的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改。只要FPGA规模够大，这些数字器件理论上能形成一切数字系统，包括MCU，甚至CPU。因FPGA是纯数字电路，在抗干扰和速度性能上有很大优势。
既然MCU和FPGA有如此大的差异，那么有没有一些应用需要同时使用到MCU和FPGA呢?答案是肯定的。比如，有的应用同时需要有灵活的控制和外设接口（比如USB接口等），同时需要支持高速并行运算，如FFT等，那么就要考虑使用MCU+FPGA的系统架构，FPGA适合并行处理，性能可以比同样主频的MCU高出上百倍，一般MCU+FPGA异构架构都是把密集运算交FPGA，而MCU处理逻辑复杂的业务。这种MCU+FPGA系统往往要求开发人员不仅要熟悉MCU软硬件开发，也需要熟悉FPGA的程序设计，更为关键的是能够设计MCU与FPGA之间的数据交互模式，常见方式有并行总线方式，实现MCU与FPGA之间的通信，或者通过MCU对FPGA在线进行配置。典型的MCU+FPGA系统的产品案例，如下图1：
图1 MCU+FPGA架构的产品案例
针对上述这样的产品应用中同时需要使用MCU和FPGA的情形，今天就来详细介绍我们的主角，它就是来自国产半导体厂商安路科技“小而美”的MCU+FPGA Soc – ELF2系列。ELF2内部包含了FPGA资源，并且内嵌了一个ARM Cortex-M3硬核IP及丰富的外设资源。
FPGA资源包含LUT4/5混合逻辑架构，分布式RAM支持，16路全局时钟，最大达670Kbits BRAM，15个18*18 DSP，LUT规模高达4480。如下图2：
图2 ELF2 Soc FPGA基本特性
Cortex-M3 MCU内核最高主频125MHz，4Mbit SPI Flash，48KB片上SRAM，QSPI接口支持内置/外置SPI Flash操作，集成Timer，WDT，DMA，UART，SPI，I2C，ADC，RTC等外设。MCU特性如下：
ELF2M45 Soc资源及其封装：
安路科技ELF2 Soc系统框图，如下图3：
图3 ELF2 Soc系统框图
根据LUT规模大小和RAM资源大小不同，ELF2系列有不同的型号，ELF2 Soc选型表如下表1所示：
表1 ELF2 Soc选型表
ELF2的封装形式也很丰富，一颗芯片可以实现由MCU和FPGA两颗芯片实现的功能，大大简化了系统设计，还节省了PCB面积。EFL2封装形式如下表2所示：
表2 ELF2的封装形式
ELF2 Soc内部的MCU与FPGA有4种数据交互方式，用户可以灵活选择其中任何一种，如下图4所示：
1、 AHB Slave
2、 共享SRAM(SRAM：32KByte)
3、 高16个GPIO
4、 16位用户寄存器(MCU->FPGA)
图4 ELF2 Soc MCU与FPGA交互方式
ELF2 Soc软件开发需要同时使用到安路科技自主开发的TD EDA软件和ARM公司的Keil MDK软件，安路科技提供大量的Demo演示示例程序供客户参考和学习。ELF2 Soc软件开发流程如下图5所示：
图5 ELF2 Soc软件开发流程
TD EDA软件和ARM的Keil MDK软件界面如下图6所示：
图6 TD EDA软件和ARM的Keil MDK软件界面
为了方便用户评估和学习，针对ELF2 Soc系列，安路科技特别推出了专用的开发板，如下图7所示：
图7 ELF2 Soc开发板
最后，我想谈谈关于国产FPGA替代的观点。
全球 FPGA 市场在 5G 和 AI 两大驱动因子下未来预计享有稳健增长，而目前国内 100 亿人民币市场中，国产厂商占比仅 4%，国产率极低，市场空间和潜力巨大；叠加中美贸易战的因素，终端制造业特别是各个行业的头部客户正在寻求国产替代，避免全盘使用美国公司生产的芯片，国产替代进程有明显加速的趋势。FPGA行业技术门槛较高，产业比较集中，国产厂商替代增速有望显著高于行业平均。国外三大FPGA厂家分别是Xilinx，Intel（收购原Altera）及Lattice，国内 FPGA 厂商主要有 8 家：京微齐力、安路科技、紫光同创、国微电子、成都华微电子、智多晶、广州高云半导体、上海复旦微电子。
