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FPGA的新嘗試：將它Arduino化?——Vidor4000評(píng)測(cè)

2022-12-21
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作者：SATURN
來源：21ic

[導(dǎo)讀]
用的是Altera的Cyclone10 LP系列的FPGA，是一款對(duì)標(biāo)Lattice的低端產(chǎn)品。所以Arduino也并沒有在里面構(gòu)建什么計(jì)算核心，主要是通信接口等IP。

FPGA是Field Programmable Gate Arrays的縮寫，即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列�？梢詣�(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(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入門并不簡單，抽象的HDL語言，即便對(duì)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(duì)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Microchip Technology 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(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)150 MHz的速度運(yùn)行(有時(shí)稱為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(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)(程序開發(fā))最本質(zhì)的差異。對(duì)于MCU，我們通過寄存器或者配套的SDK來進(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來說，現(xiàn)在的主流設(shè)計(jì)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(jìn)行執(zhí)行。

到目前為止，我們對(duì)于使用Arduino來開發(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開發(fā)環(huán)境，按照官方的文檔，我們需要安裝幾個(gè)支持庫。

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

這幾個(gè)軟件庫也是需要的，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，最后一個(gè)則是WiFi相關(guān)的軟件庫。

啟動(dòng)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Vidor4000開發(fā)板，可以看到如下的內(nèi)容顯示

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(diǎn)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(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Arduino將這些繁瑣的過程全部放進(jìn)了軟件庫內(nèi)，通過相關(guān)的C代碼來實(shí)現(xiàn)相關(guān)的功能。Arduino對(duì)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(shí)現(xiàn)通信

大致了解了Vidor4000的工作原理后，我們來看一段代碼，

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來輸出信號(hào)，而使用SAMD21來讀取信號(hào)，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(xì)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(gè)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(duì)于不熟悉FPGA的用戶來說，仍然是一個(gè)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(duì)于熟悉FPGA編程的用戶，官方也給出了一個(gè)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(huì)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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