FPGA的開發(fā)設(shè)計(jì)（1）

我是MCU的長(zhǎng)期用戶和狂熱者，特別是對(duì)多功能低成本MCU上有著濃厚的興趣，這種MCU模塊能夠通過單芯片實(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的通信能力。我做過很多有意思的小玩意，包括：MP3播放器、鬧鐘、無(wú)線地面濕度控制系統(tǒng)、寵物活動(dòng)監(jiān)視器、低功耗藍(lán)牙姿態(tài)控制等。在這些小項(xiàng)目中，MCU實(shí)現(xiàn)信息的收集和傳輸，用起來(lái)十分方便。

最近，我接手一個(gè)項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目不僅要求我使用FPGA，而且還要求我使用功能更強(qiáng)大的ARM。這都是我從未接觸過的領(lǐng)域。在這個(gè)系列博客中，我將介紹我是如何將自己現(xiàn)有的MCU知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)運(yùn)用到FPGA中的。我將從FPGA的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)入手，并介紹Terasic DE10 Nano開發(fā)套件，以及IP核在FPGA設(shè)計(jì)中的作用。

關(guān)于FPGA

如果你開發(fā)的項(xiàng)目一直與MCU有關(guān)，你一定會(huì)發(fā)現(xiàn)MCU的學(xué)習(xí)曲線并不陡峭，所用的開發(fā)工具都可以輕易獲得，開發(fā)和調(diào)試的過程簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)很容易上手。不過，你也會(huì)發(fā)現(xiàn)，MCU在處理復(fù)雜事務(wù)、運(yùn)行速度和接口的多樣性上是很有限的。我個(gè)人所經(jīng)歷的項(xiàng)目，由于功能既不復(fù)雜，也沒有重要的處理需求，因此，一直以來(lái)MCU是很理想的選擇。

FPGA是包含可編程邏輯元件（LE）的集成電路，其可編程單元已經(jīng)內(nèi)置在芯片中，功能十分靈活。例如，他們可以通過編程作為加速器或RAM來(lái)提高系統(tǒng)性能，可以通過編程實(shí)現(xiàn)新的標(biāo)準(zhǔn)或算法，也可以根據(jù)需求添加各種通信接口，所有的這些都有助于降低系統(tǒng)成本并延長(zhǎng)產(chǎn)品生命周期。但這種設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)是學(xué)習(xí)曲線非常陡峭，對(duì)于MCU開發(fā)人員來(lái)說(shuō)，在剛剛學(xué)習(xí)FPGA的時(shí)候，因IO端口和編碼方式的變化，學(xué)習(xí)起來(lái)還是很困難的。對(duì)于MCU來(lái)說(shuō)，在同一時(shí)刻，只能實(shí)現(xiàn)一個(gè)或一組IO的翻轉(zhuǎn)，并且所有的IO只有一個(gè)電壓標(biāo)準(zhǔn)。而FPGA的IO是并行處理的，并且不同bank的IO可以遵循不同電壓標(biāo)準(zhǔn)。

幸運(yùn)的是，發(fā)現(xiàn)了Intel Cyclone V SoC DE10 Nano開發(fā)套件。英特爾Cyclone V SoC將FPGA與雙核ARM Cortex A9結(jié)合，允許使用多種方式配置FPGA，開發(fā)套件包含顯示和通信端口、按鈕和開關(guān)、引腳映射和快速配置工具、JTAG調(diào)試器以及來(lái)自Terasic和Intel的文檔說(shuō)明和指南。

規(guī)劃FPGA開發(fā)

在規(guī)劃MCU開發(fā)的時(shí)候，我們首先確定需要哪些接口，如SPI，I2C，Wi-Fi等，然后根據(jù)MCU的電壓，引腳數(shù)量，提供的通信接口，支持的庫(kù)和價(jià)格作出MCU的選型。在使用FPGA的時(shí)候，所有的通信接口都是依靠編程來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此無(wú)需考慮通信接口的限制。其限制因素是邏輯單元的數(shù)量，因?yàn)樗枰亩丝?，軟核或存?chǔ)器單元都是基于這些邏輯單元?jiǎng)?chuàng)建的。因此，需要做權(quán)衡的是，邏輯單元數(shù)目越大，F(xiàn)PGA的能力越強(qiáng)，其成本也越高。雖然FPGA通常具有較高的初始成本，但由于它們可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)芯片組件的功能，并且還能夠節(jié)省大量板上空間，所以綜合來(lái)看其成本并不高。

我發(fā)現(xiàn)自己正處在一個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻：我要如何確定我的設(shè)計(jì)需要多少邏輯單元？答案是，這取決于對(duì)IP核的需求，IP核由協(xié)議、功能、代碼以及外部模塊執(zhí)行的特定任務(wù)組成。幾乎所有的FPGA都是由邏輯單元LE，寄存器和I / O bank組成。具體來(lái)說(shuō)：

? 邏輯單元LE是可編程的，是FPGA內(nèi)部的門陣列，每一個(gè)邏輯單元都具有一定數(shù)量的查找表，觸發(fā)器和多路復(fù)用器。

? 寄存器是一組觸發(fā)器，能夠保存數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)諸如定時(shí)器等功能。

? I / O bank是一組連接外部電路的輸入/輸出引腳。每個(gè)bank都有一個(gè)獨(dú)立的電壓標(biāo)準(zhǔn)，并且有電流大小的限制。

最初我并沒有意識(shí)到IP核的重要性，因?yàn)槲疫€沒有領(lǐng)會(huì)到這樣一個(gè)事實(shí)：IP核實(shí)現(xiàn)了一種能夠代替物理設(shè)備的能力，這些設(shè)備包括MCU、通信控制器或者其他一些我會(huì)使用另一個(gè)芯片實(shí)現(xiàn)的東西。

如圖1所示，Cyclone V 包含F(xiàn)PGA層和HPS層，在DE10 Nano上FPGA層主要用作低延遲的I/O擴(kuò)展。所有這一切體現(xiàn)了FPGA的另一個(gè)設(shè)計(jì)特點(diǎn)：它可以在單個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)多個(gè)PCB板上芯片的功能，從而，使得后續(xù)的設(shè)計(jì)更加靈活。

圖1：Terasic DE10 Nano Cyclone V FPGA和硬件處理器系統(tǒng)（HPS）的接口布局。

大部分低級(jí)I / O端口通過FPGA進(jìn)行控制和連接，這就降低了CPU等待低級(jí)別I/O端口的時(shí)間，同時(shí)也允許數(shù)據(jù)在傳遞到HPS之前進(jìn)行相應(yīng)的處理或調(diào)整。

這是一種多么完美的設(shè)計(jì)，Cyclone V FPGA的接口可擴(kuò)展，而且能夠?qū)崿F(xiàn)加速器的功能，這種設(shè)計(jì)架構(gòu)提高了HPS層的處理能力。在這種情況下，正如圖2所示，HDMI接口是非HPS本地接口，因此用作HDMI的MCU資源并不多。

圖2：FPGA和HPS的接口布局

? HDMI的輸出在FPGA上運(yùn)行，這降低CPU負(fù)載并添加了非本地接口；
? 存在一個(gè)OpenCV加速示例，這是為了體現(xiàn)兩種類型處理器結(jié)合的優(yōu)勢(shì)；
? Terasic已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基本的通信功能范例，并且有一個(gè)預(yù)定義的引腳映射列表，該列表定義了電壓和電流限制。

總的來(lái)說(shuō)，我很喜歡FPGA，并且對(duì)它的擴(kuò)展和加速功能十分感興趣。不過，我也想知道他們到底有哪些局限性。他們能運(yùn)行到高的頻率？他們可以支持哪些協(xié)議？他們會(huì)消耗多少LE？總的來(lái)說(shuō)，IDE比我用過的其他軟件更簡(jiǎn)單，并且包含了令人驚嘆的文檔。硬件似乎非常強(qiáng)大，現(xiàn)在我正在設(shè)計(jì)一個(gè)項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目能夠測(cè)試板上的硬件限制。