简评FPGA——Arduino MKR Vidor 4000

Arduino MKR Vidor 4000的出现确实让我挺意外的，为何？因为它是一款FPGA开发板。众所周知，Arduino最深入人心的东西就是其简单的入门，快速的开发，这种特性很好的体现在它的硬件以及开发工具上，因此，Arduino一度成为刚接触嵌入式编程的学生或者工程师群体，甚至是电子业余爱好者的首选。

但是，MKR Vidor 4000的推出打破了这种简单，FPGA相比MCU入门更难，开发工具也庞大复杂，学习成本大，甚至说你没有一定的专业知识连入门都不易，那这种有违Arduino特色的板子意义何在？我理解为两点：1.目前人工智能火爆，而FPGA则是人工智能中可谓全能的角色，高端可用于推理加速乃至训练，入门级的则作为嵌入式边缘计算的辅助被很好的应用在低功耗领域，如物联网、移动电子设备等，所以FPGA作为一个“有潜力的风口”切入不错；2. 目前Arduino所有的产品核心器件较为单一，都是简单的通用MCU，甚至连个“全家桶”MCU都没有，这种单一适合初学者，但是无法满足更高需求的用户，因此推更加灵活和强大的FPGA作为产品线的补充，用于覆盖更多用户群体。当然，这只是我个人的推测，事实究竟是怎样？相信看完本文你也会有自己的理解。

MKR Vidor 4000

MKR Vidor 4000作为一款拇指型的开发板，小巧精致是它固有的特性，这是优点，同时也是缺点。优点在于没有复杂的硬件，上手理解应该会比较简单；而缺点则是因为太过简单，所以注定不可能搭载很多功能，而且更多的功能实现都需要靠外接其它功能外设支持，成本花销会很大。不过对于MKR Vidor 4000来说，这种缺点不明显，为何？因为它不像其它的Arduino开发板一样搭载纯粹的MCU，MKR Vidor 4000搭载英特尔FPGA与Microchip MCU相结合，其特有的属性让它变得非常灵活又难能可贵，比如它可以做以往Arduino系列板卡做不到的事情，处理高速的音频、视频信号。

从我见到MKR Vidor 4000的第一眼开始就知道这个板子非常适合作为原型开发，当你了解清楚这板子的功能后完全可以基于此做应用级的开发，板子搭载的众多丰富接口都有配套的外设模块，有钱就买买买，当然没钱的话玩玩单板其实也是可以的，毕竟FPGA的无限可编程性还是能给大家留下一个预期。Vidor 4000的外设接口分布如下图所示：

Vidor 4000板子的背面很简洁，主要是板卡的电源管理部分。而对应的另一侧则是miniPCIe接口，这在Arduino的开发板上还属于十分罕见，也是因为这个接口的原因，很多应用可以直接基于Vidor 4000做原型开发。板子PCB上也贴心的开了两个U型凹槽用于螺丝固定，真正方面那些需求融合进自己产品设计的用户。

在靠近MicroUSB接口处有两颗电源芯片，一颗为TI的bq24195L，集成了开关模式电池管理和系统电源路径管理，可以应用于各类移动电源、平板电脑和其他便携式设备的单节锂离子和锂聚合物电池，在这块板子上，当同时存在电池与USB供电的时候，通过内部开关会自动切换为USB供电；另一颗为英特尔的EZ6301QI，这是一款可扩展的多输出 PowerSoC，集成了 3 个独立电源：一个 1.5A DC-DC 降压转换器（包含集成式电感器）和两个300mA的线性稳压器，如下图所示，仅需少量的外围器件就可以组成Vidor 4000所需要的电源系统。

板子正面的5V MicroUSB供电接口，外接I2C模块接口以及锂电池供电接口。

另一侧则是几个比较“高端”的接口，miniPCEIe、MiPi CSI、MicroHDMI。

这种接口一般在Arduino的MCU开发板上基本不会存在，但在Vidor 4000上齐全了，这主要依托于板载的这颗Intel Cyclone 10 FPGA，因此板子上的miniPCIe接口所涉及到的引脚都是FPGA的可编程IO口，用户可以自己定义需要的接口信号，非常灵活，也易于嵌入式到现有的产品中去。

英特尔的Cyclone FPGA具体型号为10CL016YU256CBG，包含16K逻辑单元，504 KB嵌入式RAM和56个18x18 bit HW乘法器，用于高速DSP。每个pin脚都可以在150 MHz以上速度进行切换，并可配置为UART，（Q）SPI，高分辨率/高频率 PWM，正交编码器，I2C，I2S，Sigma Delta DAC等功能。

FPGA部分关联的功能以及外设接口，参照下表：

MCU部分关联的功能以及外设接口，参照下表：

上电使用

如果您本身熟悉FPGA开发，那么毫无疑问你对Verilog，VHDL和RTL都不陌生。虽然Vidor的工具链提供了对这些语言的支持，但这肯定不是它原本的目的，要不然用户为何要选择这个Arduino的FPGA开发板（市面上更多功能，更强性能的FPGA开发板多的是），而且，这样的话将Arduino的生态置于何处？

Vidor 4000的目的显然是让任何人都可以更轻松配置FPGA，玩转FPGA，所以传统的FPGA开发方式肯定不是Vidor 4000想传达给用户的，这点很重要，也就是说，你可以将Vidor看作是一个使用FPGA的平台，而不是一个学习FPGA的平台。真要学习FPGA的朋友，推荐使用爱板网评测过的另一款小脚丫FPGA比较合适。

官方为MKR Vidor 4000开发板提供了不少库以及IP，如MIPI相机输入、DVI输出、120MHz DAC、QR码跟踪器、PWM、四编码器、I2C，I2S，SPI和UART、FFT、FIR滤波器，所以，我们可以直接拿来使用。

必要的开发环境安装有：（Vidor 4000三件套）

Arduino IDE工具

MKR Vidor开发板支持包

库管理包

东西准备就绪，那就可以使用上面的“三件套”实现基本的功能演示，我们借助了树莓派上的摄像头，通过MiPi摄像头接口输入，MicroHDMI输出，输出连接到显示器上。

程序是一个二维码检测器。

源码如下

#include “VidorGraphics.h”

#include “VidorCamera.h”

VidorCamera vcam;

#define MAXDIM 10

static uint16_t x［QR_PT_DET_NUM］， y［QR_PT_DET_NUM］;

struct qrPtn {

uint16_t x［QR_PT_DET_NUM］;

uint16_t y［QR_PT_DET_NUM］;

};

static qrPtn qrBufferPtn［MAXDIM］;

uint16_t count = 0， last;

void setup（） {

Serial.begin（9600）;

// wait for the serial monitor to open，

// if you are powering the board from a USB charger remove the next line

while （！Serial）;

if （！FPGA.begin（）） {

Serial.println（“Initialization failed！”）;

while （1） {}

}

/**

begin（） enable the I2C communication and initialize the display for the camera

*/

if （！vcam.begin（）） {

Serial.println（“Camera begin failed”）;

while （1） {}

}

/**

qrrec.begin（）; enable the QR code recognition

*/

vcam.qrrec.begin（）;

delay（4000）;

Serial.println（“Power ON”）;

}

void loop（） {

/**

qrrec.readQRCode（）; get， if available， the coordinates of the QR code in the screen

*/

vcam.qrrec.readQRCode（）;

for （int i = 0; i 《 QR_PT_DET_NUM; i++） {

if （vcam.qrrec.qr.pt［i］.valid） {

x［i］ = （vcam.qrrec.qr.pt［i］.xs + vcam.qrrec.qr.pt［i］.xe） / 2;

y［i］ = （vcam.qrrec.qr.pt［i］.ys + vcam.qrrec.qr.pt［i］.ye） / 2;

vcam.vgfx.Cross（x［i］， y［i］， 65535）;

}

}

last = count % MAXDIM;

for （int i = 0; i 《 QR_PT_DET_NUM; i++） {

vcam.vgfx.Cross（qrBufferPtn［last］.x［i］， qrBufferPtn［last］.y［i］， 0， 0）;

qrBufferPtn［last］.x［i］ = x［i］;

qrBufferPtn［last］.y［i］ = y［i］;

}

count++;

}编译下载，实际的运行结果如下，可以在显示器上看到经过摄像头采集，FPGA处理后输出的图像效果，显然图像处理方面应该没有任何调教过，优化，所以看起来会比较渣，但是二维码的检测定位的功能是没问题的。

除了此demo外还有不少关于摄像头输入和HDMI输出的demo，相较之下还比这个二维码检测的demo少了些许功能，而在图像输出上也没什么提升，所以不再演示了。从Vidor 4000提供的一些demo不难发现基本上都是关于一些IP的使用，明白我意思不，这个所谓的“使用”，不是教你如何去学习开发FPGA，而是教你如何像先前使用Arduino IDE开发MCU那样去玩FPGA，官方将复杂的功能实现都模块化成库或者IP，用户只需通过原本的Arduino IDE工具像简单的MCU开发一样去使用FPGA。

小结

相比传统的Arduino开发板，Vidor 4000的优势在于集成了灵活多变的FPGA，体现在板卡上的话就是具备了MiPi CSI（没有MIPI DSI接口是个遗憾）、MicroHDMI、miniPCIe等与传统的Arduino MCU开发板不同的“先进”接口，配合Arduino官方提供的库以及相关的IP，用户可以在原本简单的Arduino开发板是实现更加灵活、更多功能的扩展，实现更复杂的应用。在不少用户眼里，认为Arduino的简单是理所当然的，但是我要说的是我们现在所能得到Arduino的一切理所当然的简单是靠许许多多工程师倾注心血用复杂去构建，Arduino之所以能在全球范围内流行，并不是因为它本身简单，而是它将复杂简单化，就比如说文章中的MKR Vidor 4000，这或许是你这辈子最有底气去接触FPGA的一个产品了。