最佳处理解决方案常常是由RISC、CISC、图形处理器与FPGA的组合提供，或由FPGA单独提供，或以硬处理器内核作为部分结构的FPGA提供。然而，许多设计人员不熟悉FPGA的功能、其发展脉络以及如何使用FPGA。现场可编程门阵列(FPGA)具有诸多特性，无论是单独使用，抑或采用多样化架构，皆可作为宝贵的计算资产；但是许多设计人员并不熟悉FPGA，亦不清楚如何将这类器件整合到设计中。解决办法之一是深入研究主要供应商提供的FPGA架构及相关工具。本文则从LatticeSemiconductor产品系列开始着手。FPGA选件高级概述市场上有许多不同类型的FPGA，每种类型都有不同的功能和特性组合。可编程结构是所有FPGA的核心，并以可编程逻辑块阵列的形式呈现（图1a）。FPGA结构进一步扩展可包括SRAM块（称为块RAM(BRAM)）、锁相环(PLL)和时钟管理器等组件（图1b）。此外，还可以添加数字信号处理(DSP)块（DSP切片）和高速串行器/解串器(SERDES)（图1c）。外设接口功能（如CAN、I2C、SPI、UART和USB）可以实现为可编程结构中的软内核，但许多FPGA将其作为硬内核在硅片中实现。同样，微处理器也可以实现为可编程结构中的软内核，或作为硬内核在硅片中实现（图1d）。不同FPGA针对不同的市场和应用提供不同的功能、特性和容量集合。FPGA供应商有很多，包括Altera（被Intel收购）、Atmel（被MicrochipTechnology收购）、LatticeSemiconductor、Microsemi（也被MicrochipTechnology收购）和Xilinx。所有这些供应商都提供多个FPGA系列；有的提供片上系统(SoC)FPGA（包含硬处理器内核），有的则针对航天等高辐射环境提供耐辐射器件。由于产品系列众多，每个系列提供不同的资源，因此为眼前的任务选择最佳器件可能很棘手。本文着重介绍了LatticeSemiconductor推出的器件系列及相关设计工具。LatticeSemiconductor的FPGA介绍LatticeSemiconductor的FPGA产品范围覆盖低中端，专注于低功耗器件，应用遍及通信、计算、工业、汽车和消费类等迅速增长的市场，以此帮助客户解决从边缘到云的网络问题。Lattice推出了四个主要的FPGA系列：iCE（堪称世界上最小的超低功耗FPGA）CrossLink和CrossLinkPlus（针对高速视频和传感器应用进行了优化）MachXO（针对桥接、扩展、平台管理和安全应用进行了优化）ECP（针对连接和加速应用的通用器件）此外，Lattice还推出了诸多设计和验证工具套件，包括LatticeDiamond软件（用于CrossLink/CrossLinkPlus、MachXO和ECP器件）、LatticeRadiant软件（用于iCEFPGA和未来架构）、LatticeMico（用于创建基于软微处理器设计的图形工具），以及LatticesensAI堆栈和神经网络编译器（用于人工智能(AI)和机器学习(ML)设计）。传统：ECPFPGA许多设计人员都认为Lattice的ECP器件是“传统”FPGA器件。这类器件采用10mmx10mm封装，引脚间距0.5mm，最多可包含85,000(k)个四输入查找表(LUT)。静态和动态功耗较低，协议无关单通道SERDES功能器件的功耗低于0.25W，四通道SERDES功能器件则低于0.5W。除了SRAM块、数字信号处理(DSP)块、锁相环(PLL)和时钟管理器外，ECPFPGA还具有可编程I/O，支持LVCMOS33/25/18/15/12、XGMII、LVTTL、LVDS、Bus-LVDS、7:1LVDS、LVPECL和MIPID-PHY输入/输出接口。ECPFPGA的配置单元基于SRAM，因此与所有其他基于SRAM的FPGA一样，仅当系统通电时，才能由外部（例如闪存器件、微处理器、微控制器）加载配置。ECP器件的一个典型示例是LFE5UM5G-25F-8BG381C，支持ECP55GSERDES的FPGA，采用10mmx10mm封装。为了使设计人员能更好地研究和试验ECP5FPGA系列的特性，Lattice还推出了相应的ECP5-5G开发板LFE5UM5G-45F-VERSA-EVN（图2）。体积小巧，但功能强大：Lattice的iCEFPGAiCE器件是市面上现有体积最小的FPGA，该系列中最小的器件采用1.4mmx1.4mm封装，提供18个I/O。iCEFPGA采用灵活的逻辑架构，最多可包含5k个四输入LUT，具有高达128Kb的Lattice嵌入式sysMEMBRAM、1Mb的单端口RAM(SPRAM)、高性能DSP块，以及可定制I/O。iCEFPGA器件体积小、功耗低（对于多数应用，休眠电流低至75µA，有功电流范围从1至10mA），但功能却很强大。例如，这类器件可实现人工神经网络(ANN)，可用于模式匹配以实现边缘应用中“始终开启”的人工智能。iCEFPGA的配置数据存储在非易失性存储器(NVM)中，因而属于一次性可编程(OTP)器件。尽管如此，器件仍包含基于SRAM的配置单元。开发过程中，可将设计直接由外部加载至基于SRAM的配置单元来进行测试。设计提交后，即可将其加载至NVM中。器件上电后，存储于NVM的配置将以并行传输方式自动复制到基于SRAM的配置单元中。iCE器件的一个示例是ICE40UL1K-SWG16ITR1KiCE40UltraLite，它是世界上外形尺寸最小的FPGA（截至本文发布时），采用1.4mmx1.4mm封装，静态功率为42µW。代表性开发板包括HM01B0-UPD-EVNHimaxHM01B0UPduino扩展板和sensAI模块化演示板（图3）。该套件基于UPduino2.0开发板，这款Arduino外形尺寸的快速原型开发板，具有iCE40UltraPlusFPGA的性能和I/O功能。此外，套件还包括HimaxHM01B0低功耗图像传感器模块和两个I2S麦克风。专用：CrossLink和CrossLinkPlusFPGACrossLink和CrossLinkPlus系列都是专用FPGA，除了可编程逻辑和强大的I/O功能外，器件规格经过强化，因而可广泛适用于工业和汽车应用。其中包括移动行业处理器接口(MIPI)D-PHY高速数据通信物理层标准、相机串行接口2(CSI2)和显示串行接口2(DSI2)内核；封装分别采用6mmx6mm(CrossLink)和3.5mmx3.5mm(CrossLinkPlus)。与iCEFPGA一样，CrossLink器件的配置数据存储在OTPNVM中，也包含基于SRAM的配置单元，开发过程中可直接加载进行测试。设计提交后，则将其加载至NVM中。器件上电后，数据以并行传输方式自动复制到基于SRAM的配置单元中。相比之下，CrossLinkPlus器件的配置单元基于闪存，因此可根据需要对这些器件进行重新编程；此外，器件还具有不足10ms的即时启动功能。CrossLink器件的一个示例是LIF-MD6000-6JMG80I，具有5,936个逻辑单元和37个I/O，总RAM位数为184,320。在着手开始嵌入式视觉设计时，设计人员可借助LF-EVDK1-EVN嵌入式视觉开发套件，将基于CrossLink的MIPI输入与ECP5FPGA处理整合，用以进行嵌入式视觉设计的原型开发（图4）。具有I/O和电源管理功能：MachXOFPGAMachXOFPGA具有数百个I/O，对需要GPIO扩展、接口桥接和上电管理功能的各种应用而言，可谓绝佳选择。系列中的最新产品旨在符合NIST标准，另增安全功能以确保系统硬件和固件的安全性。MachXOFPGA具有一组功能强大的GPIO，包括“热插拔”等功能，因而无论电源轨状态如何，都可向I/O施加电压。此外，虽然多数FPGA输入默认为上拉状态，但MachXO输入默认为下拉状态，因此非常适合控制功能应用。MachXOFPGA具有不足10ms的即时启动功能，可作为“先启后停”控制器件的理想解决方案，在系统上电和断电期间用于对其他元器件进行管理和排序。MachXO器件的配置数据存储在闪存中。这类器件也包含基于SRAM的配置单元。器件上电后，存储于闪存的配置数据将以并行传输方式自动复制到基于SRAM的配置单元中。此外，器件运行时，可将新配置加载至闪存中，之后可选择在适当的时候将新配置复制到SRAM单元中。MachXO器件的一个典型示例是LCMXO3LF-9400C-6BG256C，具有9,400个逻辑单元和206个I/O，总RAM位数为442,368。代表性开发板是LCMXO3LF-6900C-S-EVNMachXO3入门套件（MachX03L版本）。套件板具有SPI闪存，可用于评估外部启动或双重启动功能。评估MIPIDSI和CSI2I/O时，建议使用LCMXO3L-DSI-EVNMachXO3LDSI分线板；评估高速差分I/O时，建议使用LCMXO3L-SMA-EVNMachXO3LSMA分线板。LatticeSemiconductor的FPGA设计和开发伴随FPGA发展的最常见技术之一是语言驱动设计(LDD)。这涉及使用Verilog或VHDL等硬件描述语言(HDL)，在抽象级别（即寄存器传送级(RTL)）上捕获设计意图。通过逻辑仿真进行验证之后，该表达式将连同目标FPGA类型、引脚分配和时序约束（例如最大输入到输出延迟）等其他信息一并传输至合成引擎。合成引擎输出的配置文件可以直接加载至FPGA中，或者对基于SRAM的FPGA而言，可加载至外部存储器件中（图6）。LatticeDiamond属于这类工具，可提供完整的基于GUI的FPGA设计和验证环境，适用于CrossLink、MachXO和ECP器件。与LatticeDiamond一样，LatticeRadiant也可提供完整的基于GUI的FPGA设计和验证环境，但后者主要针对iCEFPGA和未来架构。LatticeRadiant功能众多：行业标准IEEE1735知识产权(IP)加密和Synopsys设计约束(SDC)，实现最佳互操作性集成的工具组环境，简化设计导航和调试功能全新的ProcessToolbar支持简单的“一键式”设计执行功能完整的物理到逻辑闭环设计流程，实现交叉探索IP数据打包功能，使开发人员和第三方IP提供商能够以适合分发的形式打包经加密的IP数据包LatticeMico系统开发工具Lattice推出了两款软处理器内核——LatticeMico8和LatticeMico32，两者均可应用于FPGA的可编程结构。LatticeMico8是一款8位微控制器，针对MachXO2可编程逻辑器件(PLD)系列进行了优化和全面测试。此外，该器件也可用于其他FPGA系列的参考设计。微控制器内核结合了完整的18位宽指令集与32个通用寄存器，在保留丰富功能的同时，最大限度地减少消耗的器件资源——最小配置中LUT少于200个。LatticeMico32是一款32位哈佛架构RISC微处理器。LatticeMico32结合了32位宽指令集与32个通用寄存器，因而性能和灵活性适合各种市场应用。采用RISC架构，在确保性能满足各种应用所需的同时，使内核消耗的器件资源最少。为了加速微处理器系统的开发，可将LatticeMico32与几种兼容WISHBONE控制器的可选外设元器件集成。LatticeMico系统开发工具具有图形用户界面，使用户可对LatticeMico处理器内核和外设进行拖放式操作，将其连接至总线，并为各元器件定义各种参数，例如在处理器地址空间中的位置。系统定义完成后，该工具即可自动生成相应的RTL以进行仿真和合成。此外，该系统提供的工具使用户能够生成软件，用以在处理器内核上运行。机器学习工具：LatticesensAI堆栈和神经网络编译器目前，机器学习(ML)和人工智能(AI)应用广泛部署于各种嵌入式系统和整个物联网(IoT)，包括工业物联网(IIoT)。LatticesensAI堆栈包含评估、开发和部署基于FPGA的ML/AI解决方案所需的一切功能，包括模块化硬件平台、示例演示、参考设计、神经网络IP内核，软件开发工具和定制设计服务。在消费类和工业物联网应用中，开发人员可借助该堆栈实现灵活的机器学习推断引擎，加快上市时间。Lattice卷积神经网络(CNN)加速器IP内核是用于深度神经网络(DNN)的计算引擎。该引擎针对卷积神经网络进行了优化，因此可用于分类、对象检测和跟踪等基于视觉的应用。CNNIP内核本身可执行所需的计算，因此无需额外添加处理器。同时，借助Lattice神经网络编译器，设计人员可使用TensorFlow、Caffe和Keras等通用开发框架下创建的神经网络，并将其编译以在LatticeCNN和紧凑型CNN加速器IP内核中实施。总结最佳设计解决方案常常是由处理器与FPGA的组合提供，或由FPGA单独提供，或以硬处理器内核作为部分结构的FPGA提供。作为一项技术，FPGA多年来发展迅速，如今已经能够满足灵活性、处理速度、功耗等多方面的设计需求，非常适合智能接口、机器视觉和AI等众多应用。如上所述，LatticeSemiconductor的FPGA产品范围覆盖低中端，专注于低功耗器件，应用遍及通信、计算、工业、汽车和消费类等迅速增长的市场，以此解决从边缘到云的网络问题。此外，Lattice还推出了若干设计和验证工具套件，适用于基于语言的设计、基于图形处理器的设计以及专注于机器学习和人工智能应用的设计等各种设计流程。文章来源digkey

通用减法器电路图（a）电路输入输出关系为：V0=Vi2-Vi1图中放大器的输出信号电压极性通常与输入电压极性相同。如果要求反相输出，则采用图（b）所示电路。其输入输出关系为：Vo=Vi1-Vi2。INA105构成的减法电路如图所示为其他器件组成的减法电路（2）。该电路输入输出关系为：Vo=Vi2-Vi1。从同相端输入的两运放减法电路如图所示为从同相端输入的两运放减法电路。

我做FPGA开发9年多了，算是一个大龄工程师了。期间接触过一些项目管理和技术支持之类的工作，不知道为什么，脱离研发做这些工作我总觉得不踏实，也许天生就适合死磕技术。就是不知道继续这么死磕下去会怎么样，曾经也很迷茫，生怕随着年龄的增长，精力比不上年轻人，加班熬夜啥的心有余而力不足，会被逐渐淘汰。迷茫啥的就不细谈了，好在我也想了很多，逐渐想明白了很多，开博第一篇，我一定要给做FPGA的兄弟姐妹打打气。我现在最庆幸的事情就是从进入职场到现在一直是FPGA开发，我感觉，做FPGA开发这行经验是很重要的，入门简单，想提升会越来越难。做FPGA开发不只是会写写verilog和VHDL代码这么简单，我记得刚学习verilog的时候，光是要搞明白哪些语句可以综合，哪些语句不可以综合，就花费了很长时间。硬件开发语言是要映射成数字逻辑电路的，随着做FPGA的时间长了，写代码的时候脑子里都是0/1的翻转，会逐渐映射出一个个与非门、触发器、存储器，以及他们之间的连线，并且时时刻刻考虑怎样设计才能保证面积最小或者延迟最低。功能做对了还要考虑时序的优化，就算你功能设计的再完美，代码写的再简洁，设计的时候没有考虑时序，一切都是花架子、空摆设。一个成熟的FPGA不仅是熟悉FPGA就好，最基本的接口协议就能罗列一大堆，够你啃很久了，不懂接口协议FPGA就是孤家寡人，没有数据的交互，什么都干不了。如果要用FPGA做算法，还需要学习更高级的语言做仿真和验证，更重要的是要把算法映射到FPGA的硬件资源或者外设，并基于速度、面积和功能做平衡，做优化。还是挺有挑战呢。。。FPGA是介于软硬件之间的一朵奇葩。你用它做接口、做通信，它就偏向硬件；你用它做算法、做控制，它就偏向软件。而且随着人工智能、机器视觉的崛起，FPGA更加偏向软件算法的异构，有和GPU一争高下的潜力。想想都有些小激动呢。。。所以，正在做和准备做FPGA的兄弟姐妹们，我们已经在路上了，也许你面前沟沟坎坎很难走，甚至有一堵墙遮光蔽日，请你相信前途是光明的，凭着死磕的精神继续走下去，每天都会有收获。看了以上这位FPGA高手的肺腑之言，你是不是也摩拳擦掌，跃跃欲试了！不过，要进入FGPA领域，或继续提高自己的设计水平，还的先规划一下适合自己的学习进阶之路，看看过来人的经验总结。FPGA入门之道对于新手学习FPGA设计，要从基础开始做，基础牢，才有成为高手的可能。对于初学者，有以下几步是必须要走的：第一步：学习了解FPGA结构，FPGA到底是什么东西，芯片里面有什么，不要开始就拿个开发板照着别人的东西去编程。很多开发板的程序写的很烂，我也做过一段时间的开发板设计，我觉得很大程度上，开发板在误人子弟。不过原厂提供的正品开发板，代码很优秀的，可以借鉴。只有了解了FPGA内部的结构才能明白为什么写Verilog和写C整体思路是不一样的。第二步：掌握FPGA设计的流程。了解每一步在做什么，为什么要那么做。很多人都是不就是那几步吗，有什么奇怪的？呵呵，我想至少有一半以上的人不知道synthesize和traslate的区别吧。了解了FPGA的结构和设计流程才有可能知道怎么去优化设计，提高速度，减少资源，不要急躁，不要去在为选择什么语言和选择哪个公司的芯片上下功夫。语言只是一个表达的方式，重要的是你的思维，没有一个好的指导思想，语言用得再好，不过是个懂语言的人。第三步：开始学习代码了。我建议要学代码的人都去Altera或Xilinx的网站上下原厂工程师的代码学习。不要一开始就走入误区。第四步：template很重要。能不能高效利用fpga资源，一是了解fpga结构，二是了解欲实现的逻辑功能和基本机构，三是使用正确的模板。FPGA内部器件种类相对较单一，用好模板，你的逻辑才能被高效的综合成FPGA擅长表达的结构：）做fpga主要是要有电路的思想，作为初学者，往往对器件可能不是熟悉，那么应该对于数字电路的知识很熟悉吧，fpga中是由触发器和查找表以及互联线等基本结构组成的，其实在我们在代码里面能够看到的就是与非门以及触发器，不要把verilog和c语言等同起来，根本就是不同的东西，没有什么可比性，在写一句程序的时候应该想到出来的是一个什么样的电路，计数器,选择器,三态门等等，理解时序，逻辑是一拍一拍的东西，在设计初期想的不是很清楚的时候可以画画时序图，这样思路会更加的清晰，还有就是仿真很重要，不要写完程序就去往fpga中去加载，首先要仿真，尤其是对比较大型一点的程序，想像自己是在做asic，是没有二次机会的，所以一定要把仿真做好，还有很多新手对于语言的学习不知道选vhdl好还是verilog好，个人偏好verilog，当然不是说vhdl不好，反正写出来的都是电路，那当然就不要在语言的语法上面花太多的功夫了，verilog言简意赅assignalwayscaseifelse掌握这些几乎可以写出90%的电路了，上面是我的一些愚见，希望对大家有所帮助。FPGA设计者需修炼的5项基本功成为一名说得过去的FPGA设计者，需要练好5项基本功：仿真、综合、时序分析、调试、验证。对于FPGA设计者来说，练好这5项基本功，与用好相应的EDA工具是同一过程，对应关系如下：1.仿真：Modelsim,QuartusII(SimulatorTool)riple2.综合：QuartusII(CompilerTool,RTLViewer,TechnologyMapViewer,ChipPlanner)3.时序：QuartusII(TimeQuestTimingAnalyzer,TechnologyMapViewer,ChipPlanner)4.调试：QuartusII(SignalTapIILogicAnalyzer,VirtualJTAG,AssignmentEditor)5.验证：Modelsim,QuartusII(TestBenchTemplateWriter)掌握HDL语言虽然不是FPGA设计的全部，但是HDL语言对FPGA设计的影响贯穿于整个FPGA设计流程中，与FPGA设计的5项基本功是相辅相成的。对于FPGA设计者来说，用好“HDL语言的可综合子集”可以完成FPGA设计50%的工作——设计编码。练好仿真、综合、时序分析这3项基本功，对于学习“HDL语言的可综合子集”有如下帮助：1.通过仿真，可以观察HDL语言在FPGA中的逻辑行为。2.通过综合，可以观察HDL语言在FPGA中的物理实现形式。3.通过时序分析，可以分析HDL语言在FPGA中的物理实现特性。对于FPGA设计者来说，用好“HDL语言的验证子集”，可以完成FPGA设计另外50%的工作——调试验证。1.搭建验证环境，通过仿真的手段可以检验FPGA设计的正确性。riple2.全面的仿真验证可以减少FPGA硬件调试的工作量。3.把硬件调试与仿真验证方法结合起来，用调试解决仿真未验证的问题，用仿真保证已经解决的问题不在调试中再现，可以建立一个回归验证流程，有助于FPGA设计项目的维护。FPGA设计者的这5项基本功不是孤立的，必须结合使用，才能完成一个完整的FPGA设计流程。反过来说，通过完成一个完整的设计流程，才能最有效地练习这5项基本功。对这5项基本功有了初步认识，就可以逐个深入学习一些，然后把学到的知识再次用于完整的设计流程。如此反复，就可以逐步提高设计水平。采用这样的循序渐进、螺旋式上升的方法，只要通过培训入了门，就可以自学自练，自我提高。市面上出售的有关FPGA设计的书籍为了保证结构的完整性，对FPGA设计的每一个方面分开介绍，每一方面虽然深入，但是由于缺少其他相关方面的支持，读者很难付诸实践，只有通读完全书才能对FPGA设计获得一个整体的认识。这样的书籍，作为工程培训指导书不行，可以作为某一个方面进阶的参考书。如何使用现有的书籍进行自学，这是后话。对于新入职的员工来说，他们往往对FPGA的整体设计流程有了初步认识，5项基本功的某几个方面可能很扎实。但是由于某个或某几个方面能力的欠缺，限制了他们独自完成整个设计流程的能力。入职培训的目的就是帮助他们掌握整体设计流程，培养自我获取信息的能力，通过几个设计流程来回的训练，形成自我促进、自我发展的良性循环。在这一过程中，随着对工作涉及的知识的广度和深度的认识逐步清晰，新员工的自信心也会逐步增强，对个人的发展方向也会逐步明确，才能积极主动地参与到工程项目中来。初学者常见的一些问题1.为什么不推荐学习MicroBlaze等软核？性价比不高，一般的软核性能大概跟CortexM3或M4差不多，用FPGA那么贵的东西去做一个性能一般的CPU，在工程上是非常不划算的。不如另外加一块M3。加上软核，可能会影响到其它的逻辑的功能。这是在资源并不十分充足的情况下，再加上软核，导致布局布线变得相当困难。软核不开源，出现Bug的时候，不容易调试。工程上很少使用，极有可能派不上用场。2.为什么不推荐0基础学习ZYNQ或SOC？入门应该学习尽量简单的东西，要么专心学习ARM，要么专心学习FPGA。这样更容易有成就感，增强信心。ZYNQ和SOC的应用领域并不广，还有很多人没听过这种东西，导致求职的不利。开发工具编译时间长，浪费较多时间。绝大多数工作，都只是负责一方面，也就是说另一方面，很有可能派不上用场。3.为什么已经存在那么多IP核，仍需写HDL？问这种问题的，一般是学生，他们没有做过产品，没有遇到过工程上的问题。IP核并非万能，不能满足所有需求。尽量少用闭源IP核，一旦出问题，这种黑匣子很可能让产品难产。深入理解底一层次，可以更好地使用高一层次。该法则可以适用于所有编程语言

设计人员一直在寻找系统构架的构建方法，以提供可满足所有应用需求的最佳计算解决方案。在许多情况下，这种最佳解决方案常常需要使用现场可编程门阵列(FPGA)，但令人遗憾的是，很多设计人员对这些器件的功能以及如何进行整合并不熟悉。本文将简要说明可从使用FPGA中受益的设计场景。然后，在阐述基本工作原理之后，将会介绍一些有趣的FPGA解决方案和开发套件。为何要使用FPGA？计算应用多种多样，能满足应用需求的最佳方法可能因应用而异，包括现成的微处理器(MPU)和微控制器(MCU)、现成的图形处理单元(GPU)、FPGA以及定制片上系统(SoC)器件。为了确定使用哪一种方法，需要仔细审视应用需求和考虑事项。例如，当研究5G基站等尖端技术时，设计人员需要考虑到基础标准和协议仍在不断发展中。这意味着设计人员需要能够快速有效地应对任何超出控制范围的规范变更。同样，他们需要能够灵活地响应未来在系统部署到现场后发生的标准和协议变更。此外，他们还必须能够响应系统功能中的意外错误或系统安全性方面的漏洞，修改现有功能或添加新功能，从而延长系统使用寿命。尽管最高性能通常是由SoC提供，但这种方法既昂贵又耗时。另外，在芯片结构中实现的任何算法本质上都是“冻结在硅片中”。鉴于上述考虑，这种固有的不灵活性便成了问题。为了找到高性能和灵活性的最优平衡点，需要一条替代路线。该路线常常由FPGA、微处理器/微控制器与FPGA的组合或以硬处理器内核作为部分结构的FPGA提供。什么是FPGA？这是一个很难回答的问题，因为对不同人来说，FPGA是不同的东西。而且，FPGA的类型有很多，每种类型都有不同的能力和功能组合。可编程结构是任何FPGA的核心（即“FPGA-dom”的界定方面），并以可编程逻辑块阵列的形式呈现（图1a）。每个逻辑块都是多种元件的集合，包括查找表(LUT)、多路复用器和寄存器，所有这些元件都可以进行配置（编程）以根据需要执行操作（图2）。图1：最简单的FPGA仅包含可编程结构和可配置GPIO(a)，不同架构是在此基本结构上增加其他元件而形成：SRAM块、PLL和时钟管理器(b)，DSP块和SERDES接口(c)，以及硬处理器内核和外设(d)。（图片来源：MaxMaxfield）图2：每个可编程逻辑块都是多种元件的集合，包括查找表、多路复用器和寄存器，所有这些元件都可以进行配置（编程）以根据需要执行操作。（图片来源：MaxMaxfield）许多FPGA使用4输入LUT，可配置为实现任何4输入逻辑功能。为了更好地支持某些应用采用的宽数据路径，有些FPGA提供6输入、7输入甚至8输入LUT。LUT的输出直接连接到逻辑块输出之一和多路复用器输入之一。多路复用器的另一个输入直接连接到逻辑块输入(e)。多路复用器可以配置为选择其中一个输入。多路复用器的输出馈入寄存器输入。每个寄存器都可以配置为边沿触发的触发器或电平敏感锁存器（尽管如此，但不建议在FPGA内部使用锁存器形式的异步逻辑）。每个寄存器的时钟（或使能信号）可以配置为高电平有效或低电平有效。同样，置位/复位输入的有效电平也是可配置的。这些逻辑块可以被视为漂浮在“可编程互连之海”中的“可编程逻辑之岛”。这种互连可配置为将任何逻辑块的任何输出连接到其他逻辑块的任何输入。同样，FPGA的主要输入可以连接到任何逻辑块的输入，任何逻辑块的输出都可以用来驱动器件的主要输出。主要的通用输入/输出(GPIO)以组形式呈现，每组可配置为支持不同的接口标准，例如LVCMOS、LVDS、LVTTL、HSTL或SSTL。另外，输入的阻抗也是可配置的，输出的压摆率也一样可配置。FPGA结构进一步扩展可包括SRAM块（称为块RAM(BRAM)）、锁相环(PLL)和时钟管理器之类的东西（图1b）。此外，还可以添加数字信号处理(DSP)块（DSP切片）。它们包含可配置的乘法器和可配置的加法器，能够执行乘法累加(MAC)运算（图1c）。高速SERDES块是FPGA的另一个常见特性，能支持千兆位串行接口。必须注意的是，并非所有FPGA都支持上述全部特性。不同FPGA针对不同的市场和应用提供不同的特性集合。FPGA中的可编程结构可用来实现所需的任何逻辑功能或功能集合，一直到处理器内核甚至多个内核。如果这些内核是以可编程结构实现的，则称其为“软内核”。相较之下，有些FPGA（通常称为SoCFPGA）包含一个或多个“硬内核”处理器，其直接在硅片中实现（图1d）。这些硬处理器内核可能包括浮点单元(FPU)和L1/L2高速缓存。同样，外设接口功能（如CAN、I2C、SPI、UART和USB）可以实现为可编程结构中的软内核，但许多FPGA将其作为硬内核在硅片中实现。处理器内核、接口功能和可编程结构之间的通信通常利用AMBA和AXI之类的高速总线实现。第一批FPGA是由Xilinx于1985年推出上市，仅包含一个8x8可编程逻辑块阵列（没有RAM块、DSP块等）。相比之下，当今的高端FPGA可以包含数十万个逻辑块、数千个DSP块和以兆位(Mb)计的RAM。总体而言，它们可能包含数十亿个晶体管，相当于数千万个等效门（例如2输入NAND门）。备选配置技术为了确定逻辑块的功能和互连的布线，需要借助配置单元，后者可以用0/1（断开/接通）开关来形象地表示。这些单元还用于配置GPIO接口标准、输入阻抗、输出压摆率等。根据具体FPGA，这些配置单元可以采用如下三种技术之一来实现：反熔丝：这些配置单元是一次性可编程(OTP)单元，意味着一旦对器件进行了编程，就无法撤回。此类器件往往仅限于太空和高安全性应用。其销量很小，因此价格很高，可谓昂贵的设计选择。闪存：像基于反熔丝的配置单元一样，基于闪存的单元也是非易失性的。与反熔丝单元不同，闪存单元可以根据需要重新编程。闪存配置单元可以承受辐射，因而这些器件适合于太空应用（不过要对上部金属化层和封装进行修改）。SRAM：采用这种手段时，配置数据存储在外部存储器中，每次FPGA上电时都要从存储器中加载数据（或在动态配置情况下，按照指令要求加载数据）。对于配置单元基于反熔丝或闪存的FPGA，优势在于它们是“即时接通”，功耗很小。这些技术的一个缺点是，除了用于创建芯片其余部分的基础CMOS工艺之外，他们还需要其他处理步骤。对于配置单元基于SRAM技术的FPGA，优势在于使用与芯片其余部分相同的CMOS工艺制造，并且具有更高的性能，因为它通常比反熔丝和闪存技术领先一代或两代。主要缺点是SRAM配置单元比（相同技术节点的）反熔丝和闪存单元更耗电，并且容易因为辐射而发生单粒子翻转(SEU)。长期以来，后一个缺点导致基于SRAM的FPGA被认为不适合用于航空航天应用。最近，业界采用了特殊缓解策略，使得基于SRAM的FPGA与基于闪存的FPGA一同出现在“好奇号”火星漫游车等系统上。利用FPGA提供灵活性FPGA适用于多种多样的应用，特别适合用于实现智能接口功能、电机控制、算法加速和高性能计算(HPC)、图像和视频处理、机器视觉、人工智能(AI)、机器学习(ML)、深度学习(DL)、雷达、波束赋形、基站以及通信。一个简单的例子是在其他使用不同接口标准或通信协议的器件之间提供智能接口。请考虑一个现有系统，其中有一个应用处理器使用旧式接口连接到相机传感器和显示设备（图3a）。图3：FPGA可用于在其他使用不同接口标准或通信协议的器件之间提供智能接口，从而延长基于旧式器件的现有设计的寿命。（图片来源：MaxMaxfield）现在，假设系统的创建者希望将相机传感器和显示设备升级为更轻、更便宜、功耗更低的现代产品。唯一的问题是，两个新外设或其中之一可能使用现代接口标准，而原应用处理器(AP)却无法提供支持。或者，它们可能支持完全不同的通信协议，例如移动行业处理器接口(MIPI)。在这种情况下，采用支持多种I/O标准的FPGA，再加之以某些软MIPIIP内核，将能提供一条快速、低成本、无风险的升级路径（图3b）。再举一个应用例子，考虑一些计算密集型任务，例如执行雷达系统所需的信号处理或通信基站中的波束赋形。采用冯诺依曼或哈佛架构的常规处理器非常适合某些任务，但不适合于需要重复执行相同操作序列的任务。这是因为运行单个线程的单个处理器内核一次只能执行一条指令（图4a）。图4：微处理器一次只能（顺序地）执行一条指令，与此不同的是，FPGA中的多个功能块可以同时（并发地）执行。另外，FPGA能以大规模并行方式实现适当的算法。（图片来源：MaxMaxfield）相比之下，FPGA中可以同时执行多个功能，支持以流水线方式完成一系列操作，进而实现更大的吞吐量。同样，FPGA不像处理器那样执行相同的操作，例如对1,000对数据值再执行1,000次运算，而是在可编程结构中实例化1,000个加法器，从而在单个时钟周期中以大规模并行方式执行相同的计算（图4b）。哪些厂商制造FPGA？这是一幅不断演变的画卷。具备最高容量和性能的高端器件有两家主要制造商，分别是Intel（其收购了Altera）和Xilinx。Intel和Xilinx提供从低端FPGA到高端SoCFPGA的各种产品。另一家几乎完全专注于FPGA的供应商是LatticeSemiconductor，其针对的是中低端应用。最后但并非最不重要的一家是MicrochipTechnology（通过收购Actel、Atmel和Microsemi），现在可提供多个系列的中小型FPGA和低端SoCFPGA类产品。由于产品系列众多，每个系列提供不同的资源、性能、容量和封装样式，因此为眼前的任务选择最佳器件可能很棘手。下面是一些例子：Intel器件；LatticeSemiconductor器件；以及Xilinx器件。如何使用FPGA进行设计？传统的FPGA设计方法是工程师使用Verilog或VHDL之类的硬件描述语言来捕获设计意图。首先可以对这些描述进行仿真，以验证其是否符合要求，然后将其传送给综合工具，生成用于配置（编程）FPGA的配置文件。每家FPGA供应商要么有自己内部开发的工具链，要么提供专业供应商定制的工具版本。无论哪种情况，都可以从FPGA供应商网站获得这些工具。另外，成熟工具套件可能有免费或低成本的版本。为使FPGA更易于为软件开发人员所用，一些FPGA供应商现在提供高级综合(HLS)工具。这些工具会解析在C、C++或OpenCL中以高级抽象所捕获的期望行为的算法描述，并生成输入以提供给较低级的综合引擎。对于希望入门的设计人员，有许多开发和评估板可用，每种板提供不同的功能和特性。这里给出三个例子：DFRobot的DFR0600开发套件，其具有Xilinx的Zynq-7000SoCFPGA；TerasicInc.的DE10Nano，其具有Intel的CycloneVSoCFPGA；ICE40HX1K-STICK-EVN评估板，其具有LatticeSemiconductor的低功耗iCE40FPGA。若设计人员计划使用基于FPGA的PCIe子卡来加速X86主板上运行的应用程序，可以关注AlveoPCIe子卡等产品，也是由Xilinx提供。结论最佳设计解决方案常常由FPGA、处理器与FPGA的组合或以硬处理器内核作为部分结构的FPGA提供。FPGA多年来发展迅速，能够满足灵活性、处理速度、功耗等多方面的设计需求，适合于广泛的应用。文章来源网络

我们所说的FPGA配置电路，一方面要完成从PC上把bit文件下载到FPGA或存储器的任务，另一方面则要完成FPGA上电启动时加载配置数据的任务。在开始设计FPGA的配置电路之前，我们不妨花一些篇幅简单的了解一下FPGA的配置过程和配置方式。大都数FPGA器件都是基于RAM结构的，当然了，也有基于Flash结构的，但RAM结构的是主流，也是我们讨论的重点。而RAM是易失存储器，在掉电后保存在上面的数据就丢失了，重新上电后需要再次加载配置数据。因此，我们肯定不希望每次重新上电后都用PC去加载一次，工程应用也不允许我们这么做。所以，FPGA旁边都有一颗配置芯片，它通常是一颗Flash存储器。不管是串行还是并行的Flash，它们的启动加载原理基本相同。为避免混淆，这里对FPGA的下载配置和启动配置做一点区分。FPGA器件的下载配置，是指将PC上的FPGA配置数据流通过下载线缆烧录到FPGA或者Flash存储器中。而FPGA器件的启动配置，则是指将配置数据流从PC或者Flash存储器中加载到FPGA内，使其运行起来。FPGA器件的下载配置，最常见的是基于JTAG的配置方式，这种方式既可以直接将PC上的配置数据流加载到FPGA上在线运行，也可以通过FPGA器件本身间接的将数据烧录到Flash等外部配置芯片中。另一种下载配置是将配置数据流直接下载到配置芯片中。由于JTAG方式灵活多用，尤其是在线调试非常快速便利，因此我们的FPGA核心板电路中就只预留了JTAG接口。FPGA器件的启动配置主要有JTAG方式，AS和PS配置方式。AS配置方式由FPGA器件引导配置过程，它控制着外部存储器及其初始化过程。FPGA器件处于主动地位，配置器件处于从属地位。配置数据通过DATA0引脚送入FPGA。配置数据被同步在DCLK输入上，1个时钟周期传送1位数据。PS配置方式则由PC或其它控制器控制配置过程。在PS配置期间，配置数据从外部储存器件通过DATA0引脚送入FPGA。配置数据在DCLK上升沿锁存，1个时钟周期传送1位数据。JTAG接口是一个业界标准，主要用于芯片测试等功能，使用IEEEStd1149.1联合边界扫描接口引脚，支持JAMSTAPL标准，可以使用Altera下载电缆或主控器来完成。FPGA在正常工作时，它的配置数据存储在RAM中，加电时须重新下载。在实验系统中，通常用计算机或控制器进行调试，因此可以使用PS配置方式。在实用系统中，多数情况下必须由FPGA主动引导配置操作过程，这时FPGA将主动从外围专用存储芯片中获得配置数据，而此芯片中FPGA配置信息是用普通编程器将设计所得的pof格式的文件烧录进去。JTAG模式在线下载FPGA的原理如图2.21所示，PC端的QuartusII软件通过下载线缆将配置数据流（sof文件）下载到FPGA内部，下载完成后FPGA中立刻执行下载代码，速度很快，非常适合调试。图2.21JTAG方式下载配置过程FPGA下载数据到配置芯片的原理如图2.22所示，PC端的QuartusII软件通过下载线缆将配置数据流（jic文件）下载到配置芯片中。由于配置芯片和JTAG接口都是分别连接到FPGA的，他们不是直接连接，所以配置文件从PC先是传送到FPGA，然后FPGA内部再转送给配置芯片，这个过程FPGA相当于起到一个桥接的作用。图2.22JTAG方式下载数据到配置芯片看完JTAG模式下在线配置FPGA和烧录配置芯片的原理，我们再了解一下FPGA上电初始的配置过程。FPGA上电后，内部的控制器首先工作，确认当前的配置模式，如果是外部配置芯片启动，则通过和外部配置芯片的接口（如我们的SPI接口）将配置芯片的数据加载到FPGA的RAM中，配置完成后开始正式运行。当然了，有人可能在想，JTAG在线配置是否和配置芯片加载相冲突呢？非也，JTAG在线配置的优先级是最高的，无论此时FPGA中在运行什么逻辑，只要JTAG下载启动，则FPGA便停下当前的工作，开始运行JTAG下载的新的配置数据。先看器件手册中给出的一些相关参考设计，如图2.23所示，这是FPGA和用于配置的SPIFlash的接口连接方式，即我们所说的AS配置方式。注意FPGA的几个主要引脚nSTATUS\CONF_DONE\nCONFIG\nCE的连接，或者上拉，或者接地，主要是为了保证这些信号在上电初始处于一个确定的电平状态，防止错误电平导致误触发。DATA\DCLK\NCSO\ASDO这4个引脚便是SPI接口，连接到SPIFlash。图2.23AS配置参考电路的截图如图2.24所示，FPGA有组MSEL引脚是用于设置FPGA初上电时的启动模式，我们的FPGA上电使用StandardAS模式从SPIFlash里面加载配置数据。图2.24MSEL引脚配置说明的截图有了前面的理论做铺垫，我们的设计也就有依有据了。如图2.25所示，这是我们的SPIFLASH芯片，它的4个信号分别连接到FPGA器件的相应引脚上。图2.25FPGA的AS配置电路前面是上电启动配置数据的电路，通过一个SPIFlash来实现。而PC端到FPGA器件的下载则是通过JTAG来实现的，JTAG这个概念网络上满天飞了，大家自己去消化，但凡有CPU的地方，基本都有JTAG的存在，FPGA也不例外。另外，大家注意前面的MSEL设置了FPGA启动模式是StandardAS模式，但是JTAG永远是最高优先级的模式，任何时刻，只要JTAG需要进行下载配置，那么配置模式将会转换。JTAG下载插座以及部分配置专用引脚的连接电路如图2.26所示。图2.26JTAG插座与FPGA配置电路

本文将讨论一个基本的16×2液晶模块与FPGA接口的细节。在本教程中，我们将使用Veriloghdl设计一个与基于HD44780液晶控制器/驱动芯片的通用液晶模块接口的数字电路。采用MOJOV3FPGA板实现该设计。本文使用的液晶模块是162A显示器。HD44780兼容液晶模块在前面的文章中，我们讨论了使用HD44780液晶控制器/驱动芯片的LCD模块的细节。这些LCD模块的突出显示如图1所示。图1.图片由AAC提供。如您所见，有三个控制引脚(RS、R/W和E)以及八个数据引脚(DB7到DB0)。对于写操作，我们需要对这些引脚施加适当的电压，如下图2的时序图所示。图2.日立的礼遇。下表给出了上述时序图的不同延迟值：表1.日立的礼遇。有几个指令可以用来配置液晶模块。您可以在此数据表的第24页找到这些说明的完整列表。下面列出了一些重要的说明。表2设计积木：路径1我们要显示“你好世界！”在液晶显示器上。让我们看看我们的数字系统需要哪些模块来与LCD模块通信。我们需要一个ROM来存储消息字符的ASCII代码。如图3所示，ROM的输出将连接到LCD模块的八个数据引脚。图3“你好世界！”消息有12个字符，我们可以使用12✕8位ROM来存储消息.然而，让我们考虑一个16✕8位ROM的消息，以便我们可以显示长达16个字符(长度的第一行液晶显示器)。你可能想知道为什么上面的数字显示一个20✕8位ROM，如果我们的消息是最多16个字符长。这些额外的四个字节将用于存储与LCD指令相关的数据，这些指令允许我们配置模块。例如，如表2所示，我们可以将十六进制值0x38应用于LCD数据引脚，以指定LCD模块应该接收/发送8位长度的数据。就像字符代码一样，命令的十六进制值被应用到数据引脚上，因此，我们可以将它们存储在同一个ROM中。在本文中，我们将使用四个命令-0x38、0x06、0x0C和0x01-来配置LCD。您可以在表2中找到这些命令的简要说明。有关详细说明，请参阅本文。因此，我们有一个20✕8位ROM，其中前四个字节是0x38、0x06、0x0C和0x01。接下来的16个字节存储我们的消息的ASCII代码。考虑到图2的时序图，我们观察到应用于DB7-DB0的数据不应该在一定的时间内改变，以便LCD能够成功地读取它。因此，如图3所示，我们需要一组D型触发器(DFF)来在一定时间内保持ROM地址(因此，DB7-DB0)不变。在LCD读取数据后，我们需要将地址值增加一个，才能将下一个字符/命令应用到LCD上。因此，如图4所示，应该在DFF之前放置一个复用器和增量器。图4使用复用器的SELECT输入，我们可以指定地址值应该保持不变(S1=0)还是递增(S1=1)。复用器还有第三个选项，允许我们将地址值重置为00000...这可以通过重置DFF来实现。我们将把所有这些区块称为路径1，如图所示。正如本文后面讨论的，我们将使用沙一控制电路的信号路径1封锁。这个阿德雷格信号将用于监视路径1.值得一提的是，虽然上面的数字只显示了一个DFF，但实际上有五个DFF(因为20字节ROM需要一个5位地址总线)。设计积木：实现延迟如上所述，应用于LCD控制输入的波形应遵循图2的时序图。在RW和RS引脚改变状态后，我们必须等待TAS才能将E引脚设置为高逻辑。然后，E上从高到低的转换开始写操作.然而，在之前(TDSW)和E(Th)下降边缘之后的一段时间内，数据不应该改变。因此，为了成功地与LCD进行通信，我们必须实现延迟的TAS、tDSW和TH。这可以通过计数器来实现。由于我们有时需要停止计数器或重置它，我们将在计数器的DFF之前放置一个多路复用器。如下图5所示。图5这样，我们就可以使用s2输入来控制计数器和CNT雷格输出将给出计数器的状态，这是经过时间的指示。根据时序图，我们需要三个不同的时间延迟：TAS=40ns，tDSW=80ns，th=10ns。注意到MOJOV3板的时钟频率为50MHz(时钟周期为20ns)，我们可以计算每个时间延迟所需的计数数。然而，事实证明，我的16×2液晶显示器需要更长的延迟操作。这可能是因为我使用相对较长的电线和一块面包板来测试我的设计。在本文中，我将实现TAS=10ms和th=3ms。我会保持高E信号58毫秒(PWEH=58毫秒)。我的设计应该能够与更短的延迟一起工作。你可以做一些实验，为你的设计调整这些数字。柜台需要多少位数？选择延迟时，总延迟为10+58+3ms=71ms。考虑到Mojo的时钟周期(20Ns)，可以通过计数从0到3549999实现71ms的延迟。因此，如图5所示，我们需要一个22位计数器.设计积木：控制路径我们需要的最后一个构建块是一个控制路径1和路径2适当地块，以便为LCD模块生成所需的波形。这可以通过有限状态机(Fsm)来实现。阿德尔雷格和CNT雷格信号(状态)路径1和路径2)并生成适当的沙一和S2信号。此FSM的初始设计如图6所示。图6请注意，图表仅显示状态转换(未显示FSM的输出)。有三种状态：在闲散说明信号得到它们的初始值。这个液晶显示器State应用LCD配置命令；这就是状态转换条件为(addr_reg=3&&cnt_reg=355万)的原因。换句话说，我们有四个命令，当第四个命令(addr_reg=3)被应用于71ms的LCD(cnt_reg=355万)时，我们应该转到液晶打印向LCD发送消息数据的状态。当我们到达ROM的末尾(addr_reg=19)时，我们应该等待71ms(cnt_reg=355万)，然后转换到闲散状态。这个项目的困难部分几乎完成了。现在，我们只需要设计FSM并编写它的Verilog代码。这些任务将在本文的下一部分中讨论。结语对于FPGA，我们通常必须从设计的最低层次来考虑这个问题。我们所拥有的是逻辑门和一些基本的构建块，如加法器和比较器。虽然这使得FPGA的设计变得困难，但是FPGA确实提供了一些优势。本文研究了FPGA与普通16×2液晶模块的接口模块。为了实现FPGA到LCD接口，需要一个ROM、一些DFF和多路复用器.此外，我们需要一个FSM来控制这些积木。下一篇文章将详细介绍FSM的设计和Verilog代码的编写。然后，我们将编程MojoV3板，以验证我们的设计。

本文介绍了一种硬件描述语言VHDL，以及它在描述数字电路时的结构。我们还将介绍一些介绍性的示例电路描述，并讨论“std_logical”和“bit”数据类型之间的区别。VHDL是数字电路设计中常用的硬件描述语言之一。VHDL代表VHSIC硬件描述语言。反过来，VHSIC代表超高速集成电路.VHDL是1981年由美国国防部发起的。IBM和德州仪器等公司的合作导致VHDL于1985年发布了第一个版本。1984年，Xilinx发明了第一个FPGA，很快就在其产品中支持VHDL。从那时起，VHDL语言在数字电路设计、仿真和综合方面已经发展成为一种成熟的语言。在本文中，我们将简要讨论描述给定电路的VHDL代码的一般结构。通过一些介绍性示例，我们还将熟悉一些常用的数据类型、操作符等。VHDL的一般结构让我们考虑一个简单的数字电路，如图1所示。图1.一个简单的数字电路。此图显示有两个输入端口，a和b，以及输出端口out1。图中显示输入和输出端口有一点宽。电路的功能是要和两个输入端，并将结果放在输出端口上。VHDL使用类似的描述；但是，它有自己的语法。例如，它使用以下代码行来描述该电路的输入和输出端口：1entitycircuit_1is2Port(a:inSTD_LOGIC;3b:inSTD_LOGIC;4out1:outSTD_LOGIC);5endcircuit_1;让我们分清这意味着什么，一行行。第1行：代码的第一行指定要描述的电路的任意名称。在关键字“实体”和“is”之间的“电路1”一词决定了该模块的名称。第2至第4行：这些线路指定电路的输入和输出端口。将这些线路与图1中的电路进行比较，我们发现该电路的端口及其特性列在关键字“port”之后。例如，第3行说我们有一个名为“b”的端口。此端口是一个输入，如冒号后面的关键字“in”所示。关键字“std_Logic”指定了什么？正如我们将在本文后面讨论的那样，std_Logic是VHDL中一种常用的数据类型。它可以用来描述一位数字信号.由于图1中的所有输入/输出端口都将传输1或0，因此我们可以对这些端口使用std_logicdata类型。第5行：这一行决定了“实体”语句的结尾。因此，代码的实体部分指定了1)要描述的电路的名称，2)电路的端口及其特性，即输入/输出和这些端口要传输的数据类型。代码的实体部分实际上描述了模块与其周围环境的接口。由讨论的“实体”语句指定的上述电路的特性如图1所示绿色。除了电路与环境的接口外，我们还需要描述电路的功能。在图1中，电路的功能是to和两个输入，并将结果放在输出端口上。为了描述电路的操作，VHDL增加了一个“体系结构”部分，并将其与实体语句定义的电路1相关联。描述该电路结构的vhdl代码如下6architectureBehavioralofcircuit_1is8begin9out1第6行：这一行为下一行将要描述的体系结构命名为“行为”。这个名称介于关键字“Architecture”和“of”之间。它还将该体系结构与“电路1”相关联。换句话说，这种架构将描述“电路1”的操作。第8行：这指定了体系结构描述的开始。第9行第9行使用VHDL的语法来描述电路的操作。两个输入a和b的AND在括号内找到，并使用赋值运算符“第10行这指定了体系结构描述的结束。如前所述，这些代码行描述了电路的内部操作，这里是一个简单的门(如图1中蓝色所示)。把我们到目前为止讨论的内容放在一起，我们几乎完成了用VHDL描述“电路1”的工作。我们获得以下代码：1entitycircuit_1is2Port(a:inSTD_LOGIC;3b:inSTD_LOGIC;4out1:outSTD_LOGIC);5endcircuit_1;-----------------------------------------------------6architectureBehavioralofcircuit_1is8begin9out1但是，我们仍然需要增加几行代码。这些行将添加一个包含一些重要定义的库，包括数据类型和运算符的定义。库可以由几个包组成(参见下面的图2)。我们将不得不使一个给定库的所需包对设计可见。由于上面的示例使用数据类型“std_logal”，所以我们需要将“ieee”库中的包“std_logic1164”添加到代码中。注意，std_logicdata类型的逻辑运算符也在“std_logic1164”包中定义，否则我们必须使相应的包对代码可见。最后的代码是1libraryieee;2useieee.std_logic_1164.all3entitycircuit_1is4Port(a:inSTD_LOGIC;5b:inSTD_LOGIC;6out1:outSTD_LOGIC);7endcircuit_1;-----------------------------------------------------8architectureBehavioralofcircuit_1is9begin10out1在这里，我们创建了两条新的行来超越我们所创造的。第一行添加库“IEEE”，第二行指定此库中的包“std_logic1164”是必需的。因为“std_Logic”是一种常用的数据类型，所以我们几乎总是需要将“IEEE”库和“std_logic1164”包添加到VHDL代码中。.........发明内容在本文中，我们讨论了VHDL是什么，它是如何构造的，并介绍了如何使用它来描述数字电路的一些例子。您现在应该更好地理解以下几点：代码的“实体”部分指定1)要描述的电路的名称和2)电路的端口；它建立模块与其周围环境之间的接口。代码的“体系结构”部分描述了电路的内部操作。VHDL库包含重要的定义，包括数据类型和操作符的定义。库本身可以由几个包组成。我们几乎总是需要将“IEEE”库和“std_logic1164”包添加到我们的VHDL代码中。在“std_Logic”数据类型的可能值中，我们通常使用‘0’、‘1’、‘Z’和‘-’。

本设计选用具有高集成度、低功耗、短开发周期的FPGA来完成此项设计，以实现系统的ASIC为研究背景，具有很强的现实意义和广阔的市场空间。采用xilinx公司Spartan3E系列FPGA作为核心控制器件，这款器件采用90ns的先进工艺，最大容量50万门，可支持32位的RISC处理器，具有128Mbit并行Flash，足以满足设计的要求。该项目利用嵌入式软核实现系统的管理，利用硬件实现识别算法，保证了系统功能的完整性与识别的正确性。本设计中采用的是富士通的MBF200指纹传感器，MBF200硬件框图如图6所示，采用SPI模式，所以MBF200与FPGA只通MISO，MOSI，/S/C/S，SCLK四个端口相连接。/S/C/S为MBF200的使能端，SCLK为MBF200的系统时钟，当需要采集指纹信号时，FPGA向/S/C/S发送低电平，则MBF200开始工作。FPGA通过MOSI向MBF200发送控制命令，控制MBF200的数据输出方式及传输模式。VDD[3:1]为数字电源输入，VDDA[2:1]为模拟电源输入，VSS[3:1]为数字地，VSSA[2:1]为模拟地，所以如图所接。而为了防止数字信号对模拟信号的干扰，用10欧电阻隔开。并且数字电源输入与相应的数字地之间均接有电容用来阁除非直流信号。为了防止数字地与信号地之间的干扰，本设计采用0欧电阻隔离。0欧电阻相当于很窄的电流通路，能够有效地限制环路电流，使噪声得到抑制。电阻在所有频带上都有衰减作用(0欧电阻也有阻抗)，这点比磁珠强。MODE[1:0]引脚是用来设定MBF200所用接口模式的，在本设计中，置MODE[1:0]为01，选定SPI传输模式。在SPI模式当中，AIN，ISET，FEST三个接口都不会用上，但根据MBF200内部电路结构，最好接电阻与地相接。

FPGA是什么？FPGA（FieldProgrammableGateArray）是在PAL、GAL等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA设计不是简单的芯片研究，主要是利用FPGA的模式进行其他行业产品的设计。与ASIC不同，FPGA在通信行业的应用比较广泛。通过对全球FPGA产品市场以及相关供应商的分析，结合当前我国的实际情况以及国内领先的FPGA产品可以发现相关技术在未来的发展方向，对我国科技水平的全面提高具有非常重要的推动作用。工作原理FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输入输出模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件，与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构。FPGA利用小型查找表（16×1RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。单片机是什么？单片机（Single-ChipMicrocomputer）是一种集成电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用。从上世纪80年代，由当时的4位、8位单片机，发展到现在的300M的高速单片机。单片机又称单片微控制器，它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。相当于一个微型的计算机，和计算机相比，单片机只缺少了I/O设备。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。从二十世纪九十年代开始，单片机技术就已经发展起来，随着时代的进步与科技的发展，目前该技术的实践应用日渐成熟，单片机被广泛应用于各个领域。现如今，人们越来越重视单片机在智能电子技术方面的开发和应用，单片机的发展进入到新的时期，无论是自动测量还是智能仪表的实践，都能看到单片机技术的身影。当前工业发展进程中，电子行业属于新兴产业，工业生产中人们将电子信息技术成功运用，让电子信息技术与单片机技术相融合，有效提高了单片机应用效果。作为计算机技术中的一个分支，单片机技术在电子产品领域的应用，丰富了电子产品的功能，也为智能化电子设备的开发和应用提供了新的出路，实现了智能化电子设备的创新与发展。单片机也被称为单片微控器，属于一种集成式电路芯片。在单片机中主要包含CPU、只读存储器ROM和随机存储器RAM等，多样化数据采集与控制系统能够让单片机完成各项复杂的运算，无论是对运算符号进行控制，还是对系统下达运算指令都能通过单片机完成。由此可见，单片机凭借着强大的数据处理技术和计算功能可以在智能电子设备中充分应用。简单地说，单片机就是一块芯片，这块芯片组成了一个系统，通过集成电路技术的应用，将数据运算与处理能力集成到芯片中，实现对数据的高速化处理。它们之间的区别是什么？1、结构上的区别单片机是一种微处理器，类似于电脑CPU的，它一般采用的是哈佛总线结构，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结构和各个寄存器的作用，单片机用途比较广，一般用在控制流水线上，还有日常你看得到的东西上！FPGA它的结构是查找表结构，其程序不用去太考虑芯片的结构，要注意的是时序上问题，它的结构比较复杂，功能也很强大，一般应用在通信领域等比较高端的场合，目前在国内FPGA还算是一个新兴的行业，当然它的价格也要比单片机贵得多！单片机是一个微控制器，通过加载模块软件来实现某种功能，单片机是成型的芯片;FPGA是用来设计芯片的芯片。2、速度上的区别FPGA由于是硬件电路，运行速度直接取决于晶振速度，系统稳定，特别适合高速接口电路。单片机由于是单线程，哪怕是常用的M3系列流水线也是单线程执行，程序语句需要等待单片机周期才能执行。一文看懂fpga和单片机的区别3、本质区别FPGA和单片机的区别，本质上是软件和硬件的区别，FPGA更偏向于硬件电路，而单片机更偏于软件。单片机设计属软件范畴;它的硬件（单片机芯片）是固定的，通过软件编程语言描述软件指令在硬件芯片上的执行;FPGA设计属硬件范畴，它的硬件（FPGA）是可编程的，是一个通过硬件描述语言在FPGA芯片上自定义集成电路的过程;4、应用上的区别应用上，差别更大。MCU最终所有的指令在一个MCU中都是顺序执行的，而FPGA由于是逻辑单元，很容易做到并行执行。5、入门难易程度单片机比FPGA简单些，价格也低一些。要做PID算法控制的用单片机可以，STM32F4系列已经到300M+跑PID完全足够，如果是跑嵌入式的话可以上ARM芯片。涉及通信、图像等高速部分可以采用单FPGA模块。

可编程逻辑具有传统分立IC无法提供的灵活性。借助现成的开发工具，可轻松使用现场可编程门阵列和复杂可编程逻辑器件创建应用特定型功能。按钮开关输入消抖便是此类功能的一个例子。下图1说明了一个有效的消抖逻辑电路。此电路持续将按钮的逻辑电平记录到FF1然后记录到FF2，使得FF1和FF2始终存储此按钮的最后两个逻辑电平。当这两个值在指定的时间内保持相等时，启用FF3，并通过它将稳定值记录到结果输出。图1：逻辑电路消抖。XOR门和N位计数器完成定时。如果按钮的电平发生变化，则FF1和FF2的值在一个时钟周期内不同，从而通过XOR门清零N位计数器。如果按钮的电平不变（即，如果FF1和FF2处于相同的逻辑电平），则XOR门会释放计数器的同步清零功能，并且计数器开始计数。计数器持续按此方式递增，直至其(1)达到指定的时间并启用输出寄存器，或(2)因按钮的逻辑电平尚未稳定而被XOR门中断并清零。计数器的大小决定了验证按钮稳定性所需的时间。当计数器递增至其进位输出位被断言时，将会自行停止递增并启用输出寄存器FF3。电流将保持此状态，直至另一个按钮值被记录到FF1，从而通过XOR门清零计数器。

随着摄像头和其他设备产生的数据在快速增长，促使人们运用机器学习从汽车、安防和其他应用产生的影像中提取更多有用的信息。专用器件有望在嵌入式视觉应用中实现高性能机器学习(ML)推理。但是此类器件大都处于早期开发阶段，因为设计人员正在努力寻找最有效的算法，甚至人工智能(AI)研究人员也在迅速推演新方法。目前，开发人员一般使用针对ML的可用FPGA平台来构建嵌入式视觉系统，以期满足更高的性能要求。与此同时，他们可以保持所需的灵活性，以跟上机器学习发展的步伐。本文将介绍ML处理的要求，以及为何FPGA能解决许多性能问题。然后，将介绍一个合适的基于FPGA的ML平台及其使用方法。机器学习算法和推理引擎在ML算法中，卷积神经网络(CNN)已成为图像分类的首选解决方案。其图像识别的准确率非常高，因而得以广泛应用于多种应用，跨越不同的平台，例如智能手机、安防系统和汽车驾驶员辅助系统。作为一种深度神经网络(DNN)，CNN使用的神经网络架构由专用层构成。在对标注图像进行训练期间，它会从图像中提取特征，并使用这些特征给图像分类（参见“利用现成的软硬件启动机器学习”）。CNN开发人员通常在高性能系统或云平台上进行训练，使用图形处理单元(GPU)加速在标注图像数据集（通常数以百万计）上训练模型所需的巨量矩阵计算。训练完成之后，训练好的模型用在推理应用中，对视频流中的新图像或帧进行分类。推理部署完成后，训练好的模型仍然需要执行同样的矩阵计算，但由于输入量要少很多，开发人员可以将CNN用于在通用硬件上运行的普通机器学习应用（参见“利用RaspberryPi构建机器学习应用”）。然而，对于许多应用而言，通用平台缺乏在CNN推理中同时实现高准确率和高性能所需的性能。优化技术和替代CNN架构（如MobileNet或SqueezeNet）有助于降低平台要求，但通常会牺牲准确率并增加推理延时，而这可能与应用要求相冲突。与此同时，快速发展的算法使得机器学习IC的设计工作变得复杂，因为需要机器学习IC既要足够专门化以加速推理，又要足够通用化以支持新算法。FPGA多年来一直扮演着这一特定角色，提供加速关键算法所需的性能和灵活性，解决了通用处理器性能不足或没有专用器件可用的问题。FPGA作为机器学习平台对于机器学习而言，GPU仍然是标杆——这是早期的FPGA根本无法企及的。最近出现的一些器件，如IntelArria10GXFPGA和LatticeSemiconductorECP5FPGA，大大缩小了先进FPGA和GPU之间的差距。对于某些使用紧凑的整数数据类型的DNN架构来说，此类FPGA的性能/功耗比甚至高于主流GPU。高级FPGA组合了嵌入式存储器和数字信号处理(DSP)资源，对于一般矩阵乘法(GEMM)运算能够实现很高的性能。其嵌入式存储器靠近计算引擎，从而缓解了CPU存储器瓶颈，而这种瓶颈通常会限制通用处理器上机器学习算法的性能。反之，相比于典型DSP器件（图1），FPGA上的嵌入式DSP计算引擎提供了更多的并行乘法器资源。FPGA厂商在交付专门用于机器学习的FPGA开发平台时充分利用了这些特性。例如，Intel最近推出的支持FPGA的OPENVINO™扩展了该平台将推理模型部署到不同类型设备（包括GPU、CPU和FPGA）的能力。在该平台上，开发人员可使用Intel的深度学习推理引擎工作流程，其中整合了Intel深度学习部署工具包和在IntelOPENVINO工具包中提供的Intel计算机视觉软件开发套件(SDK)。开发人员使用SDK的应用编程接口(API)构建模型，并且可利用Intel的运行模型优化器针对不同硬件平台进行优化。深度学习部署工具包旨在与IntelDK-DEV-10AX115S-AArria10GXFPGA开发套件配合使用，让开发人员能从领先的ML框架（包括Caffe和TensorFlow）导入训练好的模型（图2）。在诸如Arria10GXFPGA开发套件之类目标平台或使用Arria10GXFPGA器件的定制设计上，工具包中的模型优化器和推理引擎分别处理模型转换和部署。为了迁移预训练模型，开发人员使用基于Python的模型优化器生成了一个中间表示(IR)，该表示包含在一个提供网络拓扑的xml文件和一个以二进制值提供模型参数的bin文件中。除了生成IR之外，模型优化器还会执行一项关键功能——移除模型中用于训练但对推理毫无作用的层。此外，该工具会在可能的情况下将每个提供独立数学运算的层合并到一个组合层中。通过这种网络修剪和合并，模型变得更紧凑，进而加快推理时间并减少对目标平台的存储器需求。Intel推理引擎是一个C++库，其中包含一组C++类。这些类对于受支持的目标硬件平台来说是通用的，因此可以在各个平台上实现推理。对于推理应用而言，开发人员使用像CNNNetReader这样的类来读取xml文件(ReadNetwork)中包含的CNN拓扑以及bin文件(ReadWeights)中包含的模型参数。模型加载完成后，调用类方法Infer()执行阻塞推理，同时调用类方法StartAsync()执行异步推理，当推理完成时使用等待或完成例程处理结果。Intel在OPENVINO环境提供的多个示例应用程序中演示了完整的工作流程和详细的推理引擎API调用。例如，安全屏障摄像机示例应用程序展示了使用推理模型流水线，以首先确定车辆边界框（图3）。流水线中的下一个模型检查了边界框中的内容，识别车辆类别、颜色和车牌位置等车辆属性。流水线中的最后一个模型使用这些车辆属性从车牌中提取字符。集成式嵌入式视觉平台Intel的OPENVINO方法强调平台重定向，而Lattice的SensAI平台完全聚焦于FPGA推理。SensAI平台的特性之一是为DNN架构（包括CNN和一个称为二值化神经网络(BNN)的紧凑架构）提供FPGAIP。针对嵌入式视觉，SensAICNNIP为完整的推理引擎提供框架，将控制子系统、存储器、输入和输出的接口与实现不同类型模型层（包括卷积、BatchNorm归一化、ReLu激活、池化和其他）的资源结合在一起（图4）。为了实现CNN模型，开发人员首先要在针对ECP5FPGA的LatticeDiamond设计环境中或针对其他LatticeFPGA系列的Radiant设计环境中，利用LatticeClarity配置工具配置CNN。这里，开发人员可以指定模型类型（CNN或BNN）、卷积引擎数（最多8个）及每层的内部存储大小（最多16Kb）或二进制大对象(blob)。配置CNN之后，开发人员使用设计环境生成核心，作为FPGA比特流。开发人员单独将通过Caffe或TensorFlow开发并训练好的模型导入SensAI平台。这里，Lattice神经网络编译器将训练好的Caffe或TensorFlow模型转换为一组包含神经网络模型参数和执行命令序列的文件。SensAI平台将来自设计环境和编译器的单独输出一起并入FPGA，以提供最终的推理模型（图5）。针对嵌入式视觉应用，LatticeLF-EVDK1-EVN嵌入式视觉开发套件(EVDK)为运行CNN模型推理提供了理想的目标平台。EVDK提供了一个完整的80x80mm三板堆叠式视频平台，包括LatticeCrossLink视频输入板、带ECP5FPGA的处理器板和HDMI输出板。开发人员可以将EVDK用作Lattice提供的多个示例CNN应用的目标平台。例如，Lattice速度标志检测参考设计运用EVDK来展示SensAICNNIP在典型汽车应用中的应用（图6）。此示例应用程序的项目文件包括全套文件，从Caffecaffemodel和TensorFlowpb格式的模型开始。因此，开发人员可以探索这些模型的细节。例如，使用TensorFlowimport_pb_to_tensorboard.py实用程序，开发人员可以导入Lattice提供的pb模型，以查看此示例应用程序中使用的CNN的细节（图7）。本例中，所提供的模型是由四个“Fire”模块组成的序列，每个模块包括：Conv2D层，执行3x3卷积以从输入流中提取特征激活层，执行BatchNorm归一化，然后执行修正线性单元(ReLU)激活MaxPool池化层，用于对前一层的输出进行采样开发人员可以使用SensAI平台生成模型文件，完成前面描述的模型流程。或者，开发人员可以使用所提供的文件直接跳转到部署阶段。任一情况下，文件都是通过接有适配器的microSD卡加载到EVDK中。在操作中，EVDK上的摄像机向ECP5FPGA提供视频流，其中配置的CNN加速器IP执行命令序列以执行推理。同任何推理引擎一样，每个输出通道都会产生一个结果，指出与该输出通道相关联的标签即为输入图像的校正标签的概率。本例中，模型是用每小时25、30、35、40、45、50、55、60和65英里的限速标志的标注图像进行训练的。因此，当模型在其输入字段中的任何位置检测到限速标志时，它会显示检测到的标志对应于每小时25、30、35、40、45、50、55、60或65英里限速的概率（图8）。总结为在嵌入式视觉应用中运用机器学习，开发人员使用可用硬件平台实现所需性能水平的能力受到了限制。然而，高性能FPGA的出现使得开发人员可以构建性能接近GPU的推理引擎。采用专为嵌入式视觉设计的机器学习FPGA平台，开发人员可以专注于特定需求，使用标准机器学习框架训练模型，并依靠FPGA平台实现高性能推理。

许多设计人员迟早都会发现，微控制器或微处理器上运行的固件可能会变得太慢。现场可编程门阵列(FPGA)为此提供了一种可编程方法，以硬件速度来解决高速、实时、嵌入式设计问题。然而，为了最大限度地利用FPGA，传统上涉及到一个技术学习曲线，但由于成本和期限压力，许多工程师无法负担这样的学习曲线。FPGA的学习曲线常常涉及学习新的编程语言（Verilog或VHDL），下载大型开发工具包，学习全新工具开发流程以生成FPGA比特流，而且可能要花大量资金（可能数百或数千美元）用于购买FPGA开发板。由于这些障碍，尽管FPGA是嵌入式设计工具箱中极其有用的工具，但许多设计工程师都避免使用它们。一些供应商试图通过提供入门FPGA板来减少使用FPGA的障碍，但学习新硬件描述语言和开发工具的必要性仍然是很高的门槛，阻碍了FPGA的更广泛采用。为了破除这些障碍，Arduino作出了最新的努力，推出一款名为ArduinoMKRVidor4000的新型低成本开发板，其代表了一种在嵌入式系统设计中使用FPGA的独特方法。ArduinoMKRVidor4000提供了多种FPGA编程方法，这些方法可无缝集成到广受欢迎的ArduinoIDE中。借助这种方式，通过特殊的Arduino库扩展获得FPGA级性能，便能使嵌入式系统开发人员直接从Arduino草图中快速获益。同时，随着更高级的设计人员对该技术的信心增强，他们可以采取更复杂的FPGA使用模型。本文将首先讨论有关FPGA的需求，再介绍MKRVidor4000开发板的功能。然后，本文将深入阐述如何应用Arduino的新型简化方法来使用FPGA。第一代Arduino开发板2005年推出的第一款Arduino开发板是基于一个简单的8位微控制器：Atmel（现为MicrochipTechnology）AVR。此开发板的很多后续产品同样基于该微控制器系列的不同器件。由于成本低且ArduinoIDE简单易用，Arduino开发板系列已成为物联网(IoT)产品开发的流行平台，常用于STEM/STEAM项目。事实上，最初的Arduino板就是第一个获得广泛成功的开源硬件项目。现在，全世界有成千上万的设计师、工程师、开发人员和创客在使用各种版本的Arduino开发板系列，其已成为让学生们第一次接触嵌入式编程的首选。人们的创意无限，从音乐、游戏、玩具、智能家居、农业到自主驾驶车辆，其应用范围非常广泛。随着Arduino用户不断将最初的Arduino架构推进到越来越复杂的应用领域，性能问题开始出现。一部分问题是最初的Arduino微控制器的8位架构过于简单。另一部分问题是许多实时外设的软件实现，尤其是时间关键型外设，例如高速定时器、高频PWM（脉冲宽度调制）输出和正交编码器。这个问题的一种解决办法是使用速度更快、功能更强大的微控制器，但最终软件在实时环境中能做的事情是有限的。一些高速实时功能必须在硬件中实现。Arduino和FPGA结合挑战在于让使用Arduino的嵌入式开发人员能使用FPGA资源，但又不破坏Arduino的简易性。Arduino从硬件角度解决了这一挑战：将FPGA添加到Arduino架构中，使得FPGA可通过Arduino库扩展Arduino的微控制器外设资源。现有Arduino用户很熟悉这些库；当使用Arduino的原生外设时，以及向Arduino扩展排针添加外设板时，经常会使用这些库。由此产生的Arduino开发板称为MKRVidor4000，其结合了基于32位Arm®Cortex®-M0+处理器内核的MicrochipTechnologySAMD21低功耗微控制器的处理能力与Intel（前身为Altera）Cyclone1010CL016FPGA（图1）。该FPGA包含15,408个可编程逻辑单元、516,096比特的嵌入式RAM和56个18x18位硬件乘法器，可用于实现高速DSP。每个FPGA的I/O引脚切换速度快于150兆赫兹(MHz)，这比板载SAMD21微控制器的I/O速度要快得多。简而言之，板载FPGA为ArduinoMKRVidor4000板提供了可观的处理和I/O能力。ArduinoMKRVidor4000属于MakerArduino板系列，其新式MKR外形尺寸与之前的Arduino板不相符。MKR系列还包括：ArduinoMKRWAN1300连接板，带有用于物联网应用的板载LoRa射频模块ArduinoMKRGSM1400连接板，带有板载蜂窝RF模块，适合于需要全球GSM连接的物联网应用与之前的Arduino开发板一样，Arduino的MKR系列不仅是针对初学者而开发，专业人员同样可以使用它来快速开发系统原型。Arduino组织发现越来越多的正规工程项目使用Arduino开发板进行原型开发甚至生产，因而开发了该系列板。ArduinoMKRVidor4000包括许多外设，其中有几个是较早期、较简单的Arduino所不曾涉及的。有一个28针MKR排针接口，其与最初的Arduino扩展板排针在概念上相似，但在物理上不同。该排针接口中的I/O引脚可由SAMD21微控制器或IntelCyclone10FPGA控制。除了标准化MKR排针接口外，ArduinoMKRVidor4000板上的外设端口列表还包括：微型USB连接器微型HDMI视频输出连接器与RaspberryPi相机模块兼容的MIPI摄像机连接器采用U-BLOXNINA-W102射频收发器模块实现的Wi-Fi和BLE（低功耗蓝牙）RF接口MiniPCIe连接器，具有多达25个用户可编程引脚请注意，ArduinoMKRVidor4000开发板没有真正的PCIe接口端口。它只是改造了与MiniPCIe端口相关的连接器，在MiniPCIe边缘连接器上分接出Cyclone10FPGA的许多I/O引脚。这是一种经济实惠的大容量连接器，现已广泛应用于数以百万计的PC主板中，这足以证明其可靠性。MiniPCIe连接器可用来轻松地将ArduinoMKRVidor4000板插入更大的系统或I/O扩展板中。尽管有如此多的I/O连接器，ArduinoMKRVidor4000开发板却很小。其尺寸为83mm（3.25英寸）×25mm（0.98英寸），这样便适合安装在嵌入式计算应用越来越常见的狭小空间中。该板的电流消耗额定值为100毫安(mA)，因此应当也适合许多嵌入式系统项目的功率包络，其中包括电池供电系统。该板有一个用于直接连接3.7伏锂聚合物(LiPo)电池的连接器，如图1所示。但是，电流消耗将取决于FPGA中实现的功能以及实例化硬件的运行速度，这会使电池容量的计算变得复杂，最终将需要进行一些实验才能确定电池的正确大小。MKRVidor4000板的视频输出是由IntelCyclone10FPGA生成的真正HDMI视频输出。ArduinoMKRVidor4000板的ArduinoIDE中包含了AdafruitGFX图形核心库，这允许SAMD21微控制器使用Arduino草图在软件控制下生成图形。此外，Arduino还通过两个专门为MKRVidor4000板创建的主库向ArduinoIDE添加了几个硬件IP块：VidorPeripherals和VidorGraphics。当Arduino草图中包含相关外设库时，ArduinoMKRVidor4000上的IntelCyclone10FPGA会自动构建这些硬件IP块。目前的外设IP块清单包括：I2C端口SPI端口UART高频PWM控制器高速定时器高速正交解码器AdafruitNeopixel可寻址RGB智能LED控制器同样，ArduinoMKRVidor4000板的软件库包含用于该板MIPI摄像头输入的视频捕获代码。此库中的例程可以从连接的摄像头中捕获640x480像素视频图像。摄像头的24位RGB图像存储在开发板的8MBSDRAM中，该SDRAM直接连接到Cyclone10FPGA。此外，可以使用ArduinoMKRVidor4000板的其中一个I2C接口访问所连摄像头的控制和状态寄存器。其中一些外设（例如I2C和SPI）已经作为软件IP块用于早前的Arduino板。这些早期软件实现与ArduinoMKRVidor4000板的FPGA上实现的等效IP块的区别在于，FPGA版本的外设性能更好。例如，每个I2C和SPI实例化都是通过板上FPGA内部的独立可编程硬件块实现的。因此，实例化若干个这样的串行端口时没有性能损失。FPGA速度示例：快速正交编码正交编码器常用作3D打印机所用步进电机的定位反馈机制。基于软件的编码器可能会出现问题，因为其速度有限；当处理器忙于执行其他代码时，这些编码器可能会错失计数。ArduinoMKRVidor4000板的正交编码器是在Cyclone10FPGA硬件中实现实例化，其时钟频率为100MHz，并采用32位硬件计数器实现，因此在任何实际物理系统中都不会错失计数。每个实例化的正交编码器都利用单独的FPGA块实现，因此实例化多个编码器时不会有性能损失。若要实现更多编码器，只需要使用FPGA的更多内部可编程逻辑。这是FPGA硬件并行性的关键优势。轻松使用FPGA—Arduino方式通过以FPGA硬件实现外设块，并借助无数Arduino草图编写人员已经熟悉的相同库机制使其可用，ArduinoMKRVidor4000板简化了FPGA的使用。无需学习VHDL或Verilog之类新的硬件描述语言(HDL)。对于开发人员来说，基于FPGA的外设与程序员眼中的任何其他C++对象并无二致。Arduino计划日后添加更多此类硬件IP块外设。Arduino已经完成了这个魔法，通过使用的软件堆栈远远低于最初ArduinoIDE的软件堆栈，让FPGA硬件看起来就像硬件化的外设块。MKRVidor4000板的软件堆栈使用远程过程调用在ArduinoC++版本编写的高级草图与开发板的FPGA硬件之间建立链接；这些过程调用发送到FPGA上实例化的邮箱，而FPGA通过JTAG连接到SAMD21微控制器（图2）。使用此软件堆栈访问基于FPGA的外设非常简单，只需正确调用适当的Vidor外设库即可。Arduino草图编写人员不必知道Vidor的FPGA魔法工作原理。它切实有效。要借助FPGA提升系统性能，一种有效的方法当然是访问利用可编程硬件实现的预定义外设IP块，不过这样获得的性能提升仅仅是FPGA全部能力的一小部分。尽管如此，Arduino仍然鼓励MKRVidor4000用户开发更多外设块，以便通过庞大的Arduino开源社区扩大选择范围。然而，ArduinoMKRVidor4000板还不是通用的FPGA开发板，因为它不支持使用HDL代码对板载Cyclone10FPGA直接编程。不过，Arduino还计划发布一个IntelQuartus项目，演示直接在MKRVidor4000板上实现FPGAHDL代码，从而让更多高级用户可以通过ArduinoMKRVidor4000板的FPGA来实现更多用途。Quartus是一款全面的HDL开发工具，Intel将其提供给设计人员开发采用该公司FPGA的FPGA设计。当Arduino为ArduinoMKRVidor4000板发布此Quartus项目时，想要学习HDL编程的设计师、工程师、创客和学生们将能把该板用作更高级FPGA项目的低成本开发与生产平台。借助这种直接FPGA编程功能，设计人员将能在ArduinoMKRVidor4000板的FPGA中实例化几乎任何类型的硬件块。例如，板载FPGA资源足以在FPGA结构中容纳ArmCortex-M1处理器内核。这样做将会把ArduinoMKRVidor4000板变换成双处理器嵌入式系统。总结虽然FPGA与微控制器或微处理器一起能为许多处理功能提供更高的性能，但这需要很长的学习曲线。ArduinoMKRVidor4000板和配套的ArduinoIDE大大降低了学习如何使用FPGA开发更高级应用的门槛。想要了解FPGA“水有多深”的设计人员可能会发现，ArduinoMKRVidor4000这个池塘中的水不深也不浅，刚刚合适。文章来源网络

当固件在微控制器或微处理器上的运行速度过慢时，现场可编程门阵列(FPGA)可解决实时嵌入式设计的硬件问题。同时，FPGA还具有外设灵活性。然而，要使用FPGA，设计工程师就需要学习全新的编程语言（通常为Verilog或VHDL）以及全新的开发流程来生成FPGA比特流，而且可能需要投入大量资金用于购买FPGA开发板。由于这些障碍，尽管FPGA是设计工具箱中非常有用的工具，但许多设计工程师都不愿意使用。为帮助他们克服这种心态，一些供应商正在致力于缩短FPGA学习曲线。例如，Arduino推出了ArduinoABX00022MKRVidor4000FPGA开发板（参见“通过ArduinoMKRVidor4000快速轻松地应用FPGA”）。ArduinoMKRVidor4000提供了另一种FPGA编程方法，与广受欢迎的Arduino集成开发环境(IDE)无缝集成，并且可以使用专用Arduino库扩展获得FPGA级性能。现在又推出新产品以替代早前的产品，其中就包括ArduinoMKRVidor4000板。AloriumTechnology则开发了一种稍微不同的方法来将FPGA性能添加到Arduino嵌入式开发环境中。这种方法既支持预配置IP块进行I/O加速，也支持定制设计的IP块。本文首先简要介绍FPGA的传统使用方法，然后深入介绍Alorium的Arduino兼容型XLR8R22M08V5U0DI和SnōSNOR20M16V3FPGA模块。本文将说明Alorium如何以全新的理念在Arduino环境中使用FPGA，既支持预配置IP，又能构建定制IP，以及设计人员如何开始应用FPGA模块。如何加速Arduino现在，全球成千上万的设计人员、工程师、开发人员、DIY爱好者和创客都在使用Arduino开发板系列的不同版本，为各种各样的应用开发嵌入式系统。由于Arduino板和ArduinoIDE的使用和编程方法都非常简单，因此深受欢迎。随着Arduino用户不断将最初的Arduino架构推进到更加复杂的应用领域，性能问题开始出现。一部分性能问题是最初的Arduino微控制器的8位架构过于简单。另一部分问题是当Arduino的嵌入式微控制器不具备等效硬件块时，Arduino软件系统只能通过软件实现大量实时外设。这一性能问题的一种解决方法是使用功能更强大的微控制器，但软件在实时环境中能做的事情是有限的。一些高速实时外设必须在硬件中实现。此外，虽然也可以使用配备更多硬件外设的微控制器，但适用的外设组合则取决于具体的项目。对此，微控制器制造商常在一个微处理器系列中提供数十个甚至上百个版本，以此解决对于不同外设组合的需求。然而，这种方法对于Arduino等板级产品并不可行，因为必须使用具有足够I/O引脚的板载连接器来满足所有需求。尽管现在市面上有很多版本的Arduino板，但仍然不足以满足所有嵌入式项目的需求。FPGA可满足各种外设组合需求通过向嵌入式设计人员提供可编程硬件，FPGA能够满足因项目而异的外设组合需求。为嵌入式微控制器板添加FPGA功能的一种简单方法是，将FPGA添加到现有设计中。这也是Arduino在设计ArduinoMKRVidor4000板时采用的方法。该板结合了MicrochipTechnology的基于32位Arm®Cortex®-M0+的ATSAMD21G18A-AUTSAMD21低功耗微控制器与Intel的10CL016YU484C6GCyclone10FPGA。Arduino专为MKRVidor4000板向ArduinoIDE中添加了几个硬件IP块。这些外设可由两个主库提供：VidorPeripherals和VidorGraphics。当Arduino草图（Arduino用来表示程序或代码单元的名称）中包含相关外设库时，ArduinoMKRVidor4000上的IntelCyclone10FPGA会自动构建这些硬件IP块。目前的外设IP块清单包括：I2C端口SPI端口UART高频PWM控制器高速定时器高速正交解码器AdafruitIndustries的Neopixel可寻址RGB智能LED控制器其中一些外设（例如I2C和SPI）已经作为软件IP块用于早前的Arduino板。这些早期软件实现与ArduinoMKRVidor4000板的FPGA上实现的等效IP块的区别在于，FPGA版本的外设性能更好。例如，每个I2C和SPI实例化都是通过板上FPGA内部的独立可编程硬件块实现的。因此，实例化若干个这样的串行端口时没有性能损失。通过以FPGA硬件实现外设块，并借助Arduino草图编写人员已经熟悉的相同库机制使其可用，ArduinoMKRVidor4000板简化了FPGA的使用。无需学习VHDL或Verilog之类新的硬件描述语言(HDL)。实际上，对于程序员而言，基于FPGA的外设与任何其他C++对象并无二致。Arduino计划日后添加更多此类硬件IP块外设。然而，ArduinoMKRVidor4000板与通用的FPGA开发板仍有所不同，因为它不支持使用HDL代码对板载Cyclone10FPGA直接编程。Arduino正计划使用Intel面向FPGA的QuartusHDL开发工具，允许更多高级用户通过ArduinoMKRVidor4000板的FPGA来实现更多用途。Alorium迈出下一步对于Arduino兼容型XLR8R22M08V5U0DI和SNOR20M16V3SnōFPGA开发板，Alorium已通过OpenXLR8方法和XceleratorBlock(XB)迈出了这一步（图1和图2）。这两款板基于IntelMAX10FPGA系列的不同版本构建，该系列集成有闪存配置存储器。XLR8结合了Intel10M08SAU169C8GMAX10与8位ATmega328指令集兼容型微控制器。它的外形尺寸与最初的ArduinoUno开发板相同，因此与很多ArduinoShield和配件兼容。AloriumSnōFPGA开发板的尺寸相对小得多，该模块尺寸规格为0.7x1.7英寸，见图2。尽管SnōFPGA开发板的物理尺寸更小，但它集成了IntelMAX10FPGA的更高版本，配备的逻辑单元也多出一倍：10M16SAU169C8GMAX10FPGA有16K，而XLR8板上的10M08器件只有8K。前者的I/O引脚也是后者的两倍多（32个，对比XLR8板的14个）。Alorium还提供了SNOMAKRR10分线板，可将SnōFPGA模块转换为稍大的Arduino外形尺寸板，配备USB端口和来自FPGA的附加I/O分线引脚。SnōFPGA模块的一些引脚连到与Arduino兼容的SnōMAKR分线板扩展排针，而其他引脚连到USB连接器对面、沿开发板边缘分布的一排附加针座（图3）。XLR8和SnōFPGA开发板都在一个芯片—IntelMAX10FPGA中实现8位微控制器及其硬件外设。图4图解说明了实现方法。AVR兼容型微控制器内核（图4左下部分）与最初Arduino开发板中使用的AtmelATmega3288位AVR微控制器相同。然而，Alorium的AVR微控制器是以FPGA中的软内核方式实现，而不是另载于独立芯片之上。图4中，该微控制器内核上方共有五个AloriumXB（XB1至XB5）。XB是通过FPGA的片上资源实现的IP块。AVR微控制器可通过可寻址寄存器接口与这些片上XB进行通信。XLR8和Snō开发板随附了预安装的XB（也在GitHub中提供），它们相当于Arduino开发人员经常需要使用的外设，包括：正交解码伺服电机控制NeoPixelRGBLED控制12位增强型ADC浮点数学请注意，上面列出的最后一种XB其实并不是I/O外设块，而是浮点数学加速器。XB可以是任何类型的硬件加速器，而不只局限于I/O。选取任何块XLR8和SnōFPGA开发板都可现场更新，方法是选择不同的XB（或多个同类XB），使用Alorium的OpenXLR8开发流程在FPGA中实例化。开发人员也可以使用Alorium的OpenXLR8流程构建定制XceleratorBlock（图5）。目前，要构建定制的XB，设计人员必须具备Verilog或VHDL硬件描述语言的应用知识，并且熟悉IntelQuartusFPGA工具套件—尤其是QuartusPrimeLiteEdition17.1版和MentorGraphics的ModelSim仿真工具。HDL对于FPGA开发必不可少，因为它允许设计人员以一种标准的、定义完善的方式来表达多个任务的并行执行。C和C++等高级语言(HLL)实质上是顺序语言。HLL编译器获取HLL源代码，将其转换成一长串机器指令序列，通常一次只能执行一个指令。这也是FPGA比处理器快得多的原因所在—FPGA能够同时执行数千个任务，只要FPGA足够大。有一些HLL编译器能够将C或C++编写的代码转换为HDL，然后由常规的FPGA工具处理，但目前Alorium的OpenXLR8设计流程并不包括这些HLL编译器。然而，一旦使用HDL和FPGA开发工具设计并调试了XB，即可像任何其他Arduino库块一样在ArduinoIDE中使用。目前，Alorium也在为ArduinoIDE库开发更多的XB。总结在构建各自的FPGA开发板方面，Arduino和AloriumTechnology公司都认识到设计人员越来越多地需要这些经济实惠的开发板提供更多的嵌入式性能。尽管两家公司采取的策略虽有所不同，但最终目标却别无二致：努力让更多嵌入式开发人员更方便地使用FPGA。在最基础的层面上，Arduino和Alorium的方法让硬件设计就像选取块并运行脚本一样简单。目前，完整的设计流程尚不够简单。Arduino尚未向HDL开发人员开放完整的FPGA开发流程。虽然Alorium的设计流程确实包括HDL设计，但要求开发人员必须具备Verilog或VHSLFPGA设计语言和工具的知识。不过，这些产品已将大门开启，至少在理论上可以利用C和C++硬件编译器等其他FPGA开发方式。届时，将可以通过使用AloriumTechnology和Arduino开发的简单方法将这些功能添加到ArduinoIDE中，充分发挥FPGA的性能。