MCU工程師需要了解的FPGA硬件屬性

事實(shí)上，MCU對(duì)有些任務(wù)來(lái)說(shuō)是很適合的，但對(duì)其它一些任務(wù)來(lái)說(shuō)可能做的并不好。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)需要并行執(zhí)行大量計(jì)算任務(wù)時(shí)，FPGA可能會(huì)讓你喜出望外。

如果我們進(jìn)一步放大，我們可以看到，每個(gè)可編程模塊都包含有許多數(shù)字功能。在這個(gè)例子中，我們可以見(jiàn)到一個(gè)三輸入的查找表(LUT)、一個(gè)復(fù)用器和一個(gè)觸發(fā)器，但重要的是我們要認(rèn)識(shí)到，這些功能的數(shù)量和類型對(duì)不同系列的FPGA來(lái)說(shuō)是會(huì)變化的。

觸發(fā)器可以被配置(編程)為寄存器或鎖存器；復(fù)用器可以被配置為選擇一個(gè)到邏輯塊的輸入或LUT的輸出；LUT可以被配置為代表任何所要求的邏輯功能。在實(shí)際應(yīng)用中，即使最簡(jiǎn)單的FPGA都會(huì)使用四輸入LUT，而一些更大更復(fù)雜的器件甚至?xí)Q使用六、七或八輸入的LUT，但為了簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們還是討論三輸入版本。

我們會(huì)在以后的文章中討論各種類型的FPGA實(shí)現(xiàn)技術(shù)?，F(xiàn)在我們只需要知道，F(xiàn)PGA內(nèi)部的可編程單元可以用反熔絲、閃存單元或SRAM內(nèi)存單元來(lái)實(shí)現(xiàn)。先讓我們看一個(gè)用反熔絲技術(shù)創(chuàng)建的FPGA吧。這是一種一次性可編程(OTP)技術(shù)，這意味著一旦你編程了這個(gè)FPGA，它將永遠(yuǎn)保持這個(gè)狀態(tài)而不再改變。

對(duì)基于反熔絲技術(shù)的FPGA來(lái)說(shuō)，編程器件相當(dāng)于通過(guò)“硬件連線”將第一組復(fù)用器的輸入連接到實(shí)現(xiàn)目標(biāo)邏輯功能所需的正確0或1值。我們使用這個(gè)LUT實(shí)現(xiàn)了前面那張圖隱含的公式y(tǒng)=(a & b)|c。在實(shí)際應(yīng)用中，復(fù)用器可以用場(chǎng)效應(yīng)管的分支“樹(shù)”來(lái)實(shí)現(xiàn)，但我們?cè)谶@里真的不用擔(dān)心最底層的實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。另外一種非常常見(jiàn)的FPGA實(shí)現(xiàn)技術(shù)是使用SRAM配置單元。同樣，我們會(huì)在以后的文章中討論更多的細(xì)節(jié)。這里我們所要知道的僅是當(dāng)電路板第一次上電時(shí)，基于SRAM的FPGA會(huì)加載配置信息(我們可以把這個(gè)過(guò)程想像為器件的編程)。

我沒(méi)有顯示0和1被加載進(jìn)SRAM單元的那種機(jī)制，因?yàn)槲也幌胱寙?wèn)題變得復(fù)雜。出于這次討論的目的，我們真的無(wú)需擔(dān)心這種“魔術(shù)”是如何發(fā)生的。我在這里唯一要提的事(給你考慮的空間)是—使用一種被稱為部分再配置的技術(shù)—FPGA的一部分可以發(fā)起對(duì)另一部分進(jìn)行再配置(當(dāng)然反過(guò)來(lái)也行)。對(duì)于具有微控制器和/或軟件背景的讀者來(lái)說(shuō)，我們可以將這種技術(shù)想象為相當(dāng)于自我修改代碼的硬件。這意味著這種技術(shù)是非常非常強(qiáng)大的，但也會(huì)帶來(lái)很難隔離和調(diào)試的問(wèn)題。

FPGA器件還包含有通用的輸入/輸出(GPIO)引腳和焊盤(pán)。通過(guò)配置單元，F(xiàn)PGA器件內(nèi)的互連部分可以被編程為這樣：將器件的主輸入連接到一個(gè)或多個(gè)可編程邏輯塊的輸入。任何邏輯塊的輸出也可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)任何其它邏輯塊的輸入和/或FPGA器件的主輸出。另外，GPIO引腳可以被配置為支持種類廣泛的I/O標(biāo)準(zhǔn)，包括電壓、終端阻抗、擺率等。

世界上第一塊FPGA與本文中討論的架構(gòu)非常類似。這塊FPGA就是賽靈思公司在1985年推出的XC2064(是用2um工藝節(jié)點(diǎn)制造的)，它包含有8×8=64的邏輯塊陣列，每個(gè)邏輯塊包含一個(gè)四輸入LUT和其它一些簡(jiǎn)單功能。從那以后，F(xiàn)PGA發(fā)展勢(shì)不可擋，正像我們看到的那樣，更為復(fù)雜的FPGA架構(gòu)

如果某個(gè)邏輯功能(比方說(shuō)計(jì)數(shù)器)是用FPGA的可編程構(gòu)造實(shí)現(xiàn)的，那么這個(gè)功能可以被說(shuō)成“軟功能”。相比之下，如果某個(gè)功能是直接用芯片實(shí)現(xiàn)的，則被說(shuō)成“硬功能”。(隨著這些功能變得越來(lái)越大越來(lái)越復(fù)雜，我們一般稱它們?yōu)閮?nèi)核)。軟內(nèi)核的優(yōu)勢(shì)在于，你可以讓它們做你想讓它們做的任何事。硬內(nèi)核的優(yōu)勢(shì)是它們占用較少的硅片面積，具有較高的性能，并且功耗較低。最優(yōu)的解決方案是混合使用軟內(nèi)核(用可編程構(gòu)造實(shí)現(xiàn))和硬內(nèi)核(直接用硅片實(shí)現(xiàn))。

舉例來(lái)說(shuō)，該器件可能包含數(shù)千個(gè)加法器、乘法器和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)功能；數(shù)兆位的片上內(nèi)存，大量的高速串行互連(SERDES)收發(fā)器模塊，以及眾多的其它功能。

這是真正讓人興奮的事情，你可以用FPGA中的普通可編程構(gòu)造做的事情之一是，使用其中的一部分實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)軟處理器內(nèi)核。當(dāng)然，你可以實(shí)現(xiàn)不同規(guī)模的處理器。舉例來(lái)說(shuō)，你可以創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)8位的處理器，加上一個(gè)或多個(gè)16位或32位的軟處理器—所有處理器都在同一器件中。

一種情形是軟件開(kāi)發(fā)人員捕獲他們的代碼，在SoC FPGA的Cortex-A9處理器上運(yùn)行這些代碼，然后通過(guò)分析識(shí)別任何可能?chē)?yán)重影響性能并成為瓶頸的功能。這些功能隨后可能就轉(zhuǎn)交給硬件設(shè)計(jì)工程師用可編程構(gòu)造來(lái)實(shí)現(xiàn)，它們(這些功能，不是設(shè)計(jì)工程師)將使用較低的時(shí)鐘頻率提供明顯更高的性能，而且功耗更低。