簡(jiǎn)評(píng)FPGA——Arduino MKR Vidor 4000

Arduino MKR Vidor 4000的出現(xiàn)確實(shí)讓我挺意外的，為何？因?yàn)樗且豢?a target="_blank">FPGA開(kāi)發(fā)板。眾所周知，Arduino最深入人心的東西就是其簡(jiǎn)單的入門，快速的開(kāi)發(fā)，這種特性很好的體現(xiàn)在它的硬件以及開(kāi)發(fā)工具上，因此，Arduino一度成為剛接觸嵌入式編程的學(xué)生或者工程師群體，甚至是電子業(yè)余愛(ài)好者的首選。

但是，MKR Vidor 4000的推出打破了這種簡(jiǎn)單，F(xiàn)PGA相比MCU入門更難，開(kāi)發(fā)工具也龐大復(fù)雜，學(xué)習(xí)成本大，甚至說(shuō)你沒(méi)有一定的專業(yè)知識(shí)連入門都不易，那這種有違Arduino特色的板子意義何在？我理解為兩點(diǎn)：1.目前人工智能火爆，而FPGA則是人工智能中可謂全能的角色，高端可用于推理加速乃至訓(xùn)練，入門級(jí)的則作為嵌入式邊緣計(jì)算的輔助被很好的應(yīng)用在低功耗領(lǐng)域，如物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)電子設(shè)備等，所以FPGA作為一個(gè)“有潛力的風(fēng)口”切入不錯(cuò)；2. 目前Arduino所有的產(chǎn)品核心器件較為單一，都是簡(jiǎn)單的通用MCU，甚至連個(gè)“全家桶”MCU都沒(méi)有，這種單一適合初學(xué)者，但是無(wú)法滿足更高需求的用戶，因此推更加靈活和強(qiáng)大的FPGA作為產(chǎn)品線的補(bǔ)充，用于覆蓋更多用戶群體。當(dāng)然，這只是我個(gè)人的推測(cè)，事實(shí)究竟是怎樣？相信看完本文你也會(huì)有自己的理解。

MKR Vidor 4000

MKR Vidor 4000作為一款拇指型的開(kāi)發(fā)板，小巧精致是它固有的特性，這是優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也是缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)在于沒(méi)有復(fù)雜的硬件，上手理解應(yīng)該會(huì)比較簡(jiǎn)單；而缺點(diǎn)則是因?yàn)樘^(guò)簡(jiǎn)單，所以注定不可能搭載很多功能，而且更多的功能實(shí)現(xiàn)都需要靠外接其它功能外設(shè)支持，成本花銷會(huì)很大。不過(guò)對(duì)于MKR Vidor 4000來(lái)說(shuō)，這種缺點(diǎn)不明顯，為何？因?yàn)樗幌衿渌腁rduino開(kāi)發(fā)板一樣搭載純粹的MCU，MKR Vidor 4000搭載英特爾FPGA與Microchip MCU相結(jié)合，其特有的屬性讓它變得非常靈活又難能可貴，比如它可以做以往Arduino系列板卡做不到的事情，處理高速的音頻、視頻信號(hào)。

從我見(jiàn)到MKR Vidor 4000的第一眼開(kāi)始就知道這個(gè)板子非常適合作為原型開(kāi)發(fā)，當(dāng)你了解清楚這板子的功能后完全可以基于此做應(yīng)用級(jí)的開(kāi)發(fā)，板子搭載的眾多豐富接口都有配套的外設(shè)模塊，有錢就買買買，當(dāng)然沒(méi)錢的話玩玩單板其實(shí)也是可以的，畢竟FPGA的無(wú)限可編程性還是能給大家留下一個(gè)預(yù)期。Vidor 4000的外設(shè)接口分布如下圖所示：

Vidor 4000板子的背面很簡(jiǎn)潔，主要是板卡的電源管理部分。而對(duì)應(yīng)的另一側(cè)則是miniPCIe接口，這在Arduino的開(kāi)發(fā)板上還屬于十分罕見(jiàn)，也是因?yàn)檫@個(gè)接口的原因，很多應(yīng)用可以直接基于Vidor 4000做原型開(kāi)發(fā)。板子PCB上也貼心的開(kāi)了兩個(gè)U型凹槽用于螺絲固定，真正方面那些需求融合進(jìn)自己產(chǎn)品設(shè)計(jì)的用戶。

在靠近MicroUSB接口處有兩顆電源芯片，一顆為TI的bq24195L，集成了開(kāi)關(guān)模式電池管理和系統(tǒng)電源路徑管理，可以應(yīng)用于各類移動(dòng)電源、平板電腦和其他便攜式設(shè)備的單節(jié)鋰離子和鋰聚合物電池，在這塊板子上，當(dāng)同時(shí)存在電池與USB供電的時(shí)候，通過(guò)內(nèi)部開(kāi)關(guān)會(huì)自動(dòng)切換為USB供電；另一顆為英特爾的EZ6301QI，這是一款可擴(kuò)展的多輸出 PowerSoC，集成了 3 個(gè)獨(dú)立電源：一個(gè) 1.5A DC-DC 降壓轉(zhuǎn)換器（包含集成式電感器）和兩個(gè)300mA的線性穩(wěn)壓器，如下圖所示，僅需少量的外圍器件就可以組成Vidor 4000所需要的電源系統(tǒng)。

板子正面的5V MicroUSB供電接口，外接I2C模塊接口以及鋰電池供電接口。

另一側(cè)則是幾個(gè)比較“高端”的接口，miniPCEIe、MiPi CSI、MicroHDMI。

這種接口一般在Arduino的MCU開(kāi)發(fā)板上基本不會(huì)存在，但在Vidor 4000上齊全了，這主要依托于板載的這顆Intel Cyclone 10 FPGA，因此板子上的miniPCIe接口所涉及到的引腳都是FPGA的可編程IO口，用戶可以自己定義需要的接口信號(hào)，非常靈活，也易于嵌入式到現(xiàn)有的產(chǎn)品中去。

英特爾的Cyclone FPGA具體型號(hào)為10CL016YU256CBG，包含16K邏輯單元，504 KB嵌入式RAM和56個(gè)18x18 bit HW乘法器，用于高速DSP。每個(gè)pin腳都可以在150 MHz以上速度進(jìn)行切換，并可配置為UART，（Q）SPI，高分辨率/高頻率 PWM，正交編碼器，I2C，I2S，Sigma Delta DAC等功能。

FPGA部分關(guān)聯(lián)的功能以及外設(shè)接口，參照下表：

MCU部分關(guān)聯(lián)的功能以及外設(shè)接口，參照下表：

上電使用

如果您本身熟悉FPGA開(kāi)發(fā)，那么毫無(wú)疑問(wèn)你對(duì)Verilog，VHDL和RTL都不陌生。雖然Vidor的工具鏈提供了對(duì)這些語(yǔ)言的支持，但這肯定不是它原本的目的，要不然用戶為何要選擇這個(gè)Arduino的FPGA開(kāi)發(fā)板（市面上更多功能，更強(qiáng)性能的FPGA開(kāi)發(fā)板多的是），而且，這樣的話將Arduino的生態(tài)置于何處？

Vidor 4000的目的顯然是讓任何人都可以更輕松配置FPGA，玩轉(zhuǎn)FPGA，所以傳統(tǒng)的FPGA開(kāi)發(fā)方式肯定不是Vidor 4000想傳達(dá)給用戶的，這點(diǎn)很重要，也就是說(shuō)，你可以將Vidor看作是一個(gè)使用FPGA的平臺(tái)，而不是一個(gè)學(xué)習(xí)FPGA的平臺(tái)。真要學(xué)習(xí)FPGA的朋友，推薦使用愛(ài)板網(wǎng)評(píng)測(cè)過(guò)的另一款小腳丫FPGA比較合適。

官方為MKR Vidor 4000開(kāi)發(fā)板提供了不少庫(kù)以及IP，如MIPI相機(jī)輸入、DVI輸出、120MHz DAC、QR碼跟蹤器、PWM、四編碼器、I2C，I2S，SPI和UART、FFT、FIR濾波器，所以，我們可以直接拿來(lái)使用。

必要的開(kāi)發(fā)環(huán)境安裝有：（Vidor 4000三件套）

Arduino IDE工具

MKR Vidor開(kāi)發(fā)板支持包

庫(kù)管理包

東西準(zhǔn)備就緒，那就可以使用上面的“三件套”實(shí)現(xiàn)基本的功能演示，我們借助了樹(shù)莓派上的攝像頭，通過(guò)MiPi攝像頭接口輸入，MicroHDMI輸出，輸出連接到顯示器上。

程序是一個(gè)二維碼檢測(cè)器。

源碼如下

#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++;

}編譯下載，實(shí)際的運(yùn)行結(jié)果如下，可以在顯示器上看到經(jīng)過(guò)攝像頭采集，F(xiàn)PGA處理后輸出的圖像效果，顯然圖像處理方面應(yīng)該沒(méi)有任何調(diào)教過(guò)，優(yōu)化，所以看起來(lái)會(huì)比較渣，但是二維碼的檢測(cè)定位的功能是沒(méi)問(wèn)題的。

除了此demo外還有不少關(guān)于攝像頭輸入和HDMI輸出的demo，相較之下還比這個(gè)二維碼檢測(cè)的demo少了些許功能，而在圖像輸出上也沒(méi)什么提升，所以不再演示了。從Vidor 4000提供的一些demo不難發(fā)現(xiàn)基本上都是關(guān)于一些IP的使用，明白我意思不，這個(gè)所謂的“使用”，不是教你如何去學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)FPGA，而是教你如何像先前使用Arduino IDE開(kāi)發(fā)MCU那樣去玩FPGA，官方將復(fù)雜的功能實(shí)現(xiàn)都模塊化成庫(kù)或者IP，用戶只需通過(guò)原本的Arduino IDE工具像簡(jiǎn)單的MCU開(kāi)發(fā)一樣去使用FPGA。

小結(jié)

相比傳統(tǒng)的Arduino開(kāi)發(fā)板，Vidor 4000的優(yōu)勢(shì)在于集成了靈活多變的FPGA，體現(xiàn)在板卡上的話就是具備了MiPi CSI（沒(méi)有MIPI DSI接口是個(gè)遺憾）、MicroHDMI、miniPCIe等與傳統(tǒng)的Arduino MCU開(kāi)發(fā)板不同的“先進(jìn)”接口，配合Arduino官方提供的庫(kù)以及相關(guān)的IP，用戶可以在原本簡(jiǎn)單的Arduino開(kāi)發(fā)板是實(shí)現(xiàn)更加靈活、更多功能的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的應(yīng)用。在不少用戶眼里，認(rèn)為Arduino的簡(jiǎn)單是理所當(dāng)然的，但是我要說(shuō)的是我們現(xiàn)在所能得到Arduino的一切理所當(dāng)然的簡(jiǎn)單是靠許許多多工程師傾注心血用復(fù)雜去構(gòu)建，Arduino之所以能在全球范圍內(nèi)流行，并不是因?yàn)樗旧砗?jiǎn)單，而是它將復(fù)雜簡(jiǎn)單化，就比如說(shuō)文章中的MKR Vidor 4000，這或許是你這輩子最有底氣去接觸FPGA的一個(gè)產(chǎn)品了。