FPGA的新嘗試：將它Arduino化？

FPGA是Field Programmable Gate Arrays的縮寫(xiě)，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列?？梢詣?chuàng)建定制硬件，從而消除與廠(chǎng)商相關(guān)的成本。不幸的是，大多數(shù)芯片設(shè)計(jì)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(jì)。

然而FPGA入門(mén)并不簡(jiǎn)單，抽象的HDL語(yǔ)言，即便對(duì)于編程已經(jīng)入門(mén)了的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，其代碼仍然如天書(shū)一樣晦澀難懂，更不用說(shuō)精通了。Vidor4000是Arduino新推出的一款開(kāi)發(fā)板，試圖將FPGA隱藏在相對(duì)簡(jiǎn)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(hù)，開(kāi)發(fā)板上包含一顆Cyclone 10 10CL016 FPGA ，另外還包括一顆來(lái)自MicrochipTechnology 的SAMD21低功耗芯片，基于A(yíng)rm Cortex-M0+。

大部分組件增位于開(kāi)發(fā)板正面，開(kāi)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(gè)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(dá)150MHz的速度運(yùn)行（有時(shí)稱(chēng)為150兆翻轉(zhuǎn)）。這個(gè)特殊部分非常適合音頻和視頻處理。開(kāi)發(fā)板上主要的器件分布及名稱(chēng)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(kāi)發(fā)板上才提供。不過(guò)考慮到開(kāi)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(hù)應(yīng)用程序分配1 MB

? Micro HDMI連接器

? MIPI相機(jī)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(dòng)的MKR接口

? Mini PCI Express連接器，最多25個(gè)用戶(hù)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(gè)18×18位HW乘法器

在正式體驗(yàn)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(jì)好的，產(chǎn)品出廠(chǎng)后不會(huì)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(kāi)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(shí)際應(yīng)用上，一般在FPGA設(shè)計(jì)中嵌入微處理器內(nèi)核。

硬件特性決定了功能設(shè)計(jì)(程序開(kāi)發(fā))最本質(zhì)的差異。對(duì)于MCU，我們通過(guò)寄存器或者配套的SDK來(lái)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)，代碼經(jīng)編譯后使用下載器如JTAG等上載到設(shè)備上。對(duì)于FPGA來(lái)說(shuō)，現(xiàn)在的主流設(shè)計(jì)方法是使用HDL來(lái)描述硬件功能，HDL的最終結(jié)果是Bitstream，供FPGA來(lái)進(jìn)行執(zhí)行。

到目前為止，我們對(duì)于使用Arduino來(lái)開(kāi)發(fā)FPGA仍是一片空白！也許代碼會(huì)讓我們會(huì)有更深入的了解。

接下準(zhǔn)備Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境，按照官方的文檔，我們需要安裝幾個(gè)支持庫(kù)。

第一個(gè)是Arduino MKR Vidro4000硬件平臺(tái)支持。

這幾個(gè)軟件庫(kù)也是需要的，其中第一個(gè)主要用于圖形相關(guān)的支持，第二個(gè)是FPGA外設(shè)相關(guān)的庫(kù)，最后一個(gè)則是WiFi相關(guān)的軟件庫(kù)。

啟動(dòng)Arduino IDE，打開(kāi)Blink程序，配置開(kāi)發(fā)板類(lèi)型及商品如下：

配置完成后，按Ctrl+U上傳代碼到Vidro4000開(kāi)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       : 1
Lock 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(kāi)發(fā)板上的LED開(kāi)始閃爍。

是不是咱已經(jīng)開(kāi)始使用FPGA來(lái)點(diǎn)燈了？答案是否！現(xiàn)在的代碼和FPGA半毛錢(qián)的關(guān)系都沒(méi)有。這一段代碼只是用SAM21來(lái)點(diǎn)了個(gè)燈。

按照一般的方法，要使用FPGA，得先設(shè)計(jì)HDL代碼，然后再編譯成Bitstream。不過(guò)Arduino將這些繁瑣的過(guò)程全部放進(jìn)了軟件庫(kù)內(nèi)，通過(guò)相關(guān)的C代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能。Arduino對(duì)SADM21編程，SAMD21則通過(guò)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(shí)現(xiàn)通信

大致了解了Vidor4000的工作原理后，我們來(lái)看一段代碼，

// Let's configure pin A0 to be an output, controlled by the FPGA
FPGA.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(shí)際上是連接在一起的。如編號(hào)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(lái)輸出信號(hào)，而使用SAMD21來(lái)讀取信號(hào)，可以看作是二者的協(xié)作吧。

使用C代碼來(lái)控制FPGA的操作被封裝在類(lèi)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(xì)節(jié)太多！舉例來(lái)說(shuō)，最基本的GPIO操作，官方給出的文檔還不完備，還沒(méi)有一個(gè)完整的列表，用戶(hù)如果需要使用這些功能，只能通過(guò)查看原理圖來(lái)查看；另外內(nèi)部IP核的封裝，依賴(lài)官方給出的IP核，而完善這些功能，對(duì)于不熟悉FPGA的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，仍然是一個(gè)大問(wèn)題！

官方給出的庫(kù)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(duì)于熟悉FPGA編程的用戶(hù)，官方也給出了一個(gè)Git倉(cāng)庫(kù)，提供了Arduino Vidor系列產(chǎn)品兼容的FPGA IP模塊，面向已熟悉FPGA開(kāi)發(fā)過(guò)程的用戶(hù)。地址為https://github.com/vidor-libraries/VidorFPGA。

不管怎么說(shuō)，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(lái)的FPGA，必定不會(huì)僅僅是陽(yáng)春白雪，曲高而和寡！

Arduino再次向世界證明：沒(méi)有Arduino干不了的事！