FPGA的优点和缺点介绍_IP核在FPGA设计中的作用

我是MCU的长期用户和狂热者，特别是对多功能低成本MCU上有着浓厚的兴趣，这种MCU模块能够通过单芯片实现优秀的通信能力。我做过很多有意思的小玩意，包括：MP3播放器、闹钟、无线地面湿度控制系统、宠物活动监视器、低功耗蓝牙姿态控制等。在这些小项目中，MCU实现信息的收集和传输，用起来十分方便。

最近，我接手一个项目，这个项目不仅要求我使用FPGA，而且还要求我使用功能更强大的ARM。这都是我从未接触过的领域。在这个系列博客中，我将介绍我是如何将自己现有的MCU知识和经验运用到FPGA中的。本文将从FPGA的优点和缺点入手，并介绍Terasic DE10 Nano开发套件，以及IP核在FPGA设计中的作用。
关于FPGA

如果你开发的项目一直与MCU有关，你一定会发现MCU的学习曲线并不陡峭，所用的开发工具都可以轻易获得，开发和调试的过程简单，设计很容易上手。不过，你也会发现，MCU在处理复杂事务、运行速度和接口的多样性上是很有限的。我个人所经历的项目，由于功能既不复杂，也没有重要的处理需求，因此，一直以来MCU是很理想的选择。

FPGA是包含可编程逻辑元件（LE）的集成电路，其可编程单元已经内置在芯片中，功能十分灵活。例如，他们可以通过编程作为加速器或RAM来提高系统性能，可以通过编程实现新的标准或算法，也可以根据需求添加各种通信接口，所有的这些都有助于降低系统成本并延长产品生命周期。但这种设计的缺点是学习曲线非常陡峭，对于MCU开发人员来说，在刚刚学习FPGA的时候，因IO端口和编码方式的变化，学习起来还是很困难的。对于MCU来说，在同一时刻，只能实现一个或一组IO的翻转，并且所有的IO只有一个电压标准。而FPGA的IO是并行处理的，并且不同bank的IO可以遵循不同电压标准。

幸运的是，我发现了Intel Cyclone V SoC DE10 Nano开发套件。英特尔Cyclone V SoC将FPGA与双核ARM Cortex A9结合，允许使用多种方式配置FPGA，开发套件包含显示和通信端口、按钮和开关、引脚映射和快速配置工具、JTAG调试器以及来自Terasic和Intel的文档说明和指南。

规划FPGA开发

在规划MCU开发的时候，我们首先确定需要哪些接口，如SPI，I2C，Wi-Fi等，然后根据MCU的电压，引脚数量，提供的通信接口，支持的库和价格作出MCU的选型。在使用FPGA的时候，所有的通信接口都是依靠编程来实现的，因此无需考虑通信接口的限制。其限制因素是逻辑单元的数量，因为所需要的端口，软核或存储器单元都是基于这些逻辑单元创建的。因此，需要做权衡的是，逻辑单元数目越大，FPGA的能力越强，其成本也越高。虽然FPGA通常具有较高的初始成本，但由于它们可以实现多个芯片组件的功能，并且还能够节省大量板上空间，所以综合来看其成本并不高。

我发现自己正处在一个关键时刻：我要如何确定我的设计需要多少逻辑单元？答案是，这取决于对IP核的需求，IP核由协议、功能、代码以及外部模块执行的特定任务组成。几乎所有的FPGA都是由逻辑单元LE，寄存器和I / O bank组成。具体来说：

•        逻辑单元LE是可编程的，是FPGA内部的门阵列，每一个逻辑单元都具有一定数量的查找表，触发器和多路复用器。
•        寄存器是一组触发器，能够保存数据并实现诸如定时器等功能。
•        I / O bank是一组连接外部电路的输入/输出引脚。每个bank都有一个独立的电压标准，并且有电流大小的限制。

最初我并没有意识到IP核的重要性，因为我还没有领会到这样一个事实：IP核实现了一种能够代替物理设备的能力，这些设备包括MCU、通信控制器或者其他一些我会使用另一个芯片实现的东西。

如图1所示，Cyclone V 包含FPGA层和HPS层，在DE10 Nano上FPGA层主要用作低延迟的I/O扩展。所有这一切体现了FPGA的另一个设计特点：它可以在单个芯片上实现多个PCB板上芯片的功能，从而，使得后续的设计更加灵活。
 

图1：Terasic DE10 Nano Cyclone V FPGA和硬件处理器系统（HPS）的接口布局。（来源：Terasic）

大部分低级I / O端口通过FPGA进行控制和连接，这就降低了CPU等待低级别I/O端口的时间，同时也允许数据在传递到HPS之前进行相应的处理或调整。

这是一种多么完美的设计，Cyclone V FPGA的接口可扩展，而且能够实现加速器的功能，这种设计架构提高了HPS层的处理能力。在这种情况下，正如图2所示，HDMI接口是非HPS本地接口，因此用作HDMI的MCU资源并不多。
  

图2：FPGA和HPS的接口布局（来源：Terasic）

在简要的观察之后，我注意到以下几个优势：
 HDMI的输出在FPGA上运行，这降低CPU负载并添加了非本地接口；
  存在一个OpenCV加速示例，这是为了体现两种类型处理器结合的优势；
 Terasic已经实现了基本的通信功能范例，并且有一个预定义的引脚映射列表，该列表定义了电压和电流限制。

总的来说，我很喜欢FPGA，并且对它的扩展和加速功能十分感兴趣。不过，我也想知道他们到底有哪些局限性。他们能运行到高的频率？他们可以支持哪些协议？他们会消耗多少LE？总的来说，IDE比我用过的其他软件更简单，并且包含了令人惊叹的文档。硬件似乎非常强大，现在我正在设计一个项目，这个项目能够测试板上的硬件限制。