FPGA是Field Programmable Gate Arrays的縮寫,即現(xiàn)場可編程門陣列。可以創(chuàng)建定制硬件,從而消除與廠商相關(guān)的成本。不幸的是,大多數(shù)芯片設(shè)計的復(fù)雜性仍然存在,這就是為什么大多數(shù)人更喜歡使用現(xiàn)成的芯片,往往接受他們的限制,而不是采取挑戰(zhàn),以獲得他們需要的硬件優(yōu)化,高效的設(shè)計。
然而FPGA入門并不簡單,抽象的HDL語言,即便對于編程已經(jīng)入門了的用戶來說,其代碼仍然如天書一樣晦澀難懂,更不用說精通了。Vidor4000是Arduino新推出的一款開發(fā)板,試圖將FPGA隱藏在相對簡單的Arduino中,期望能消除這一障礙!
Vidor4000采用的新版MKR形式提供給用戶,開發(fā)板上包含一顆Cyclone 10 10CL016 FPGA ,另外還包括一顆來自MicrochipTechnology 的SAMD21低功耗芯片,基于Arm Cortex-M0+。
大部分組件增位于開發(fā)板正面,開發(fā)板的反面絲印列出了MKR兼容引腳。
Vidor中使用的Intel Cyclone 10CL016 FPGA具有16,000個邏輯單元,504 KB的嵌入式RAM,以及用于DSP操作的硬件乘法器。引腳可以高達150MHz的速度運行(有時稱為150兆翻轉(zhuǎn))。這個特殊部分非常適合音頻和視頻處理。開發(fā)板上主要的器件分布及名稱如下:
在很小的尺寸上,Vidor4000提供了MicroHDMI、MIPI Camera及MiniPIC Express等接口,這些接口一般只在一些高檔的Cortex A系列開發(fā)板上才提供。不過考慮到開發(fā)板上有一塊FPGA芯片,這些配置也就合情合理了。Vidor4000的主要特性如下:
?8 MB SRAM
? 2 MB QSPI閃存芯片 - 為用戶應(yīng)用程序分配1 MB
?Micro HDMI連接器
?MIPI相機連接器
?Wi-Fi和BLE由U-BLOX NINA W10系列設(shè)備供電
?所有引腳均由SAMD21(32位ARM CPU)和FPGA驅(qū)動的MKR接口
?Mini PCI Express連接器,最多25個用戶可編程引腳
?FPGA(Intel/Altera Cyclone 10CL016)包含16K邏輯單元,504 KB嵌入式RAM和56個18×18位HW乘法器
在正式體驗之前,我們有必要了解一下FPGA與MCU的區(qū)別。FPGA和微處理器之間的根本區(qū)別在于,在微處理器中,內(nèi)部硬件如I2C、SPI等是早已設(shè)計好的,產(chǎn)品出廠后不會再發(fā)生變化。內(nèi)部晶體管具有特定的目的和特定的連接,雖然通常存在多路復(fù)用器和內(nèi)部開關(guān)以使芯片更易于配置。但是,它仍然是固定功能電路。另一方面,F(xiàn)PGA可以配置(并重新配置)為幾乎任何數(shù)字電路。實際應(yīng)用上,一般在FPGA設(shè)計中嵌入微處理器內(nèi)核。
硬件特性決定了功能設(shè)計(程序開發(fā))最本質(zhì)的差異。對于MCU,我們通過寄存器或者配套的SDK來進行功能設(shè)計,代碼經(jīng)編譯后使用下載器如JTAG等上載到設(shè)備上。對于FPGA來說,現(xiàn)在的主流設(shè)計方法是使用HDL來描述硬件功能,HDL的最終結(jié)果是Bitstream,供FPGA來進行執(zhí)行。
到目前為止,我們對于使用Arduino來開發(fā)FPGA仍是一片空白!也許代碼會讓我們會有更深入的了解。
接下準(zhǔn)備Arduino開發(fā)環(huán)境,按照官方的文檔,我們需要安裝幾個支持庫。
第一個是Arduino MKR Vidro4000硬件平臺支持。
這幾個軟件庫也是需要的,其中第一個主要用于圖形相關(guān)的支持,第二個是FPGA外設(shè)相關(guān)的庫,最后一個則是WiFi相關(guān)的軟件庫。
啟動Arduino IDE,打開Blink程序,配置開發(fā)板類型及商品如下:
配置完成后,按Ctrl+U上傳代碼到Vidro4000開發(fā)板,可以看到如下的內(nèi)容顯示
Atmel SMARTdevice 0x10010005 found Device :ATSAMD21G18A Chip ID :10010005 Version :v2.0 [Arduino:XYZ] Aug 9 2018 11:17:30 Address :8192 Pages :-129 Page Size :64 bytes Total Size :4194295KB Planes : 1Lock Regions : 16 Locked :none Security :false Boot Flash :true BOD :true BOR : true Arduino :FAST_CHIP_ERASE Arduino :FAST_MULTI_PAGE_WRITE Arduino :CAN_CHECKSUM_MEMORY_BUFFER Erase flash done in 0.829 seconds Write 683844 bytes to flash (10686 pages) [ ] 0% (64/10686pages) [ ] 1% (128/10686pages)
代碼上傳成功后,看到開發(fā)板上的LED開始閃爍。
是不是咱已經(jīng)開始使用FPGA來點燈了?答案是否!現(xiàn)在的代碼和FPGA半毛錢的關(guān)系都沒有。這一段代碼只是用SAM21來點了個燈。
按照一般的方法,要使用FPGA,得先設(shè)計HDL代碼,然后再編譯成Bitstream。不過Arduino將這些繁瑣的過程全部放進了軟件庫內(nèi),通過相關(guān)的C代碼來實現(xiàn)相關(guān)的功能。Arduino對SADM21編程,SAMD21則通過JTAG接口向FPAG發(fā)出指令。如下:
這是SAMD21的JTAG接口,和下圖的FPAG的JTAG接口連接以實現(xiàn)通信
大致了解了Vidor4000的工作原理后,我們來看一段代碼,
// Let's configure pin A0 to be an output, controlled by the FPGAFPGA.pinMode(33, OUTPUT); FPGA.digitalWrite(33, HIGH); // The same pin can be read by the SAMD processor :) pinMode(A0,INPUT); Serial.print("Pin A0 is "); Serial.println(digitalRead(A0) == LOW ? "LOW" : "HIGH"); FPGA.digitalWrite(33, LOW); Serial.print("Pin A0 is "); Serial.println(digitalRead(A0) == LOW ? "LOW" : "HIGH");
SAMD21和FPGA的一些端口實際上是連接在一起的。如編號為33的FPGA端口,就和SAM21引出的A0接口連接到一起,這一段代碼使用FPGA來輸出信號,而使用SAMD21來讀取信號,可以看作是二者的協(xié)作吧。
使用C代碼來控制FPGA的操作被封裝在類FPAG中,初始化FPGA的方法調(diào)用為FPGA.begin()
其它的一些操控FPGA的方法例如FPAG.pinMode()方法調(diào)用可以參考前面一段代碼。
看上去很美好!
但是中間牽涉的細節(jié)太多!舉例來說,最基本的GPIO操作,官方給出的文檔還不完備,還沒有一個完整的列表,用戶如果需要使用這些功能,只能通過查看原理圖來查看;另外內(nèi)部IP核的封裝,依賴官方給出的IP核,而完善這些功能,對于不熟悉FPGA的用戶來說,仍然是一個大問題!
官方給出的庫支持中,目前GPIO、I2C、SPI等都在支持之列。另外像WiFi、HDMI及Camera等操作都給出了參考Demo,但是支持的設(shè)備有限,例如MIPI Camera只支持Omnivision OV5647 。
對于熟悉FPGA編程的用戶,官方也給出了一個Git倉庫,提供了Arduino Vidor系列產(chǎn)品兼容的FPGA IP模塊,面向已熟悉FPGA開發(fā)過程的用戶。地址為https://github.com/vidor-libraries/VidorFPGA。
不管怎么說,至少FPGA的Arduino已走出了一步,在官方和社區(qū)的共同努力下,我們有理由相信,未來的FPGA,必定不會僅僅是陽春白雪,曲高而和寡!
Arduino再次向世界證明:沒有Arduino干不了的事!
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原文標(biāo)題:FPGA的新嘗試:將它Arduino化?
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