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Xilinx Artix-7 FPGA快速入門(mén)、技巧與實(shí)例連載2——FPGA基礎概念 更多資料共享 鏈接：https://share.weiyun.com/53UnQas 
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，FPGA就是“可反復編程的邏輯器件”。如圖1.1所示，這是一顆Xilinx公司面向中端市場(chǎng)的Artix-7 FPGA器件，從外觀(guān)上看，貌似和一般的CPU芯片沒(méi)有太大差別。
圖1.1 Xilinx公司的Artix-7 FPGA器件 FPGA取自Field Programmable Gate Array這四個(gè)英文單詞的首個(gè)字母，譯為“現場(chǎng)（Field）可編程（Programmable）邏輯陣列（Gate Array）”。該芯片的“可編程性”是針對“數字電路”而言，與CPU中軟件的可編程是完全不同的。采用該芯片，工程師可以根據需要進(jìn)行靈活編程，添加各種新功能，以滿(mǎn)足不斷發(fā)展的協(xié)議標準或規范，工程師們甚至可以在設計的最后階段對它進(jìn)行修改和升級。低成本、高靈活性的FPGA是各種應用中定制芯片的絕佳替代品。 而至于FPGA到底是什么，能夠干什么，又有什么過(guò)人之處？下面我們就把它和它的“師兄師弟”們擺在一起，一一呈現這些問(wèn)題的答案。 拋開(kāi)FPGA不提，大家一定都很熟悉ASIC。所謂ASIC，即專(zhuān)用集成電路（Application Specific IntegratedCircuit）的簡(jiǎn)稱(chēng)。電子產(chǎn)品中，它們無(wú)所不在，還真是比FPGA普及得多得多。但是ASIC的功能相對固定，它是為了專(zhuān)一功能或專(zhuān)一應用領(lǐng)域而生，希望對它進(jìn)行任何的功能和性能的改善往往是無(wú)濟于事的。打個(gè)淺顯的比喻，如圖1.2所示，如果說(shuō)ASIC是布滿(mǎn)鉛字的印刷品，那么FPGA就是可以自由發(fā)揮的白紙一張。
圖1.2 ASIC和FPGA就如同印刷品和白紙 使用了FPGA器件的電子產(chǎn)品，在產(chǎn)品發(fā)布后仍然可以對產(chǎn)品設計作出修改，大大方便了產(chǎn)品的更新以及針對新的協(xié)議標準作出的相應改進(jìn)，從而可以加速產(chǎn)品的上市時(shí)間，并降低產(chǎn)品的失敗風(fēng)險和維護成本。相對于無(wú)法對售后產(chǎn)品設計進(jìn)行修改的ASIC來(lái)說(shuō)，這是FPGA特有的一個(gè)優(yōu)勢。由于FPGA可編程的靈活性以及近年來(lái)電子技術(shù)領(lǐng)域的快速發(fā)展，FPGA也正在向高集成、高性能、低功耗、低價(jià)格的方向發(fā)展，并且逐漸具備了與ASIC相當的性能，使其被廣泛地應用在各行各業(yè)的電子及通信設備中。 FPGA與ASIC最大的區別就是功能的可編程性不同，我們再舉一個(gè)實(shí)際的例子說(shuō)明FPGA與常見(jiàn)ASIC的這個(gè)最大區別。門(mén)電路芯片NC7SZ08是單路的邏輯與門(mén)，如圖1.3所示，該芯片除了需要電源（VCC和GND）外，輸入A和B經(jīng)過(guò)芯片內部的“邏輯與”后，輸出結果Y。
圖1.3單通道邏輯與門(mén)芯片 若是我們在電路板中設計了一顆NC7SZ08芯片，那么毫無(wú)疑問(wèn)，我們只有可憐的3個(gè)IO引腳可用，并且它的功能非常單一，就是2個(gè)輸入芯片“邏輯與”后輸出結果，僅此而已。但是，如圖1.4所示，無(wú)任何功能的FPGA其實(shí)什么也不是，一片空白，但是這一片空白中卻潛藏著(zhù)萬(wàn)千種可能，這萬(wàn)千種可能就把握在你我手中，FPGA的可編程性可以讓它實(shí)現我們希望實(shí)現的任意數字電路功能，譬如這個(gè)實(shí)例中，我們就在FPGA中編程實(shí)現了與門(mén)邏輯，那么它就等同于我們的NC7SZ08芯片。當然了，這只是非常簡(jiǎn)單的一個(gè)FPGA可編程應用實(shí)例，工程實(shí)踐中也沒(méi)有人會(huì )因為僅僅為了一個(gè)與門(mén)電路動(dòng)用FPGA。換句話(huà)說(shuō)，真正需要動(dòng)用FPGA的應用，往往是一般的ASIC所實(shí)現不了的功能（實(shí)際情況也許并不是實(shí)現不了，而是這樣的應用太小眾，沒(méi)有市場(chǎng)和利益可圖，也就沒(méi)有芯片廠(chǎng)商愿意花代價(jià)設計這樣的芯片），那么此時(shí)用FPGA編程實(shí)現這樣的定制化數字電路就能解燃眉之急了。
圖1.4 FPGA中編程實(shí)現與門(mén)功能 當然，FPGA與ASIC的開(kāi)發(fā)過(guò)程有一些共通之處（當然并不完全一樣，區別也是有的），例如它們都可以使用硬件編程語(yǔ)言Verilog或VHDL，它們在時(shí)序設計、仿真驗證方面的基本原理、方法或優(yōu)化技巧基本是相通的。ASIC開(kāi)發(fā)通常分為前端和后端，前端是后端的輸入，前端最終的產(chǎn)出是一個(gè)能夠描述所實(shí)現功能的邏輯門(mén)電路及其連接的網(wǎng)表，FPGA在綜合后也是得到一個(gè)類(lèi)似的網(wǎng)表；ASIC設計后端的任務(wù)是把前端得到的網(wǎng)表通過(guò)布局布線(xiàn)（需要人工參與）映射到具體的物理結構上，而FPGA上與此類(lèi)似的映射過(guò)程通常完全由開(kāi)發(fā)工具包辦了，它并不需要設計者太多的參與。當然了，從這樣簡(jiǎn)單的開(kāi)發(fā)對比也可以多少體會(huì )到ASIC和FPGA在成本、功耗或性能上為何存在差異。 與ASIC相比，FPGA、ARM和DSP都具備與生俱來(lái)的可編程特性�；蛟S身處開(kāi)發(fā)第一線(xiàn)的底層工程師要說(shuō)No了，很多ASIC不是也開(kāi)放了一些可配置選項，實(shí)現“可編程”特性嗎？是的，但相比于FPGA、ARM、DSP可以通過(guò)編程實(shí)現嵌入式系統的大多數功能，ASIC的那點(diǎn)“可編程”性的確擺不上臺面。當然，換個(gè)角度來(lái)看，FPGA、ARM和DSP都或多或少集成了一些ASIC功能，正是這些ASIC功能，加上“可編程”特性，使得它們相互區別開(kāi)了，并且各自獨霸一方。 ARM（Advanced RISCMachines）是微處理器行業(yè)的一家知名企業(yè)，設計了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC處理器、相關(guān)技術(shù)及軟件。由ARM公司設計的處理器風(fēng)靡全球，大有嵌入式系統無(wú)處不ARM的趨勢。我們通常所說(shuō)的ARM，更多的是指ARM公司的處理器，即ARM處理器。ARM通常包含一顆強大的處理器內核，并且為這顆處理器量身配套了很多成熟的軟件工具以及高級編程語(yǔ)言，這也是它倍受青睞的原因之一。當然了，ARM不只是一顆處理器而已，因為在A(yíng)RM內核處理器周邊，各種各樣精于控制的外設比比皆是，什么GPIO、PWM、AD/DA、UART、SPI、IIC……一列一籮筐。ARM的長(cháng)處在控制和管理，在很多工業(yè)自動(dòng)化中大有用武之地。
圖1.5 ARM處理器 DSP（digital singnalprocessor），即數字信號處理器，是一種獨特的微處理器，有自己的完整指令系統，能夠進(jìn)行高速、高吞吐量的數字信號運算處理。它不像ARM那么“胡里花俏”，它更“專(zhuān)”。它只專(zhuān)注一件事，就是對各種語(yǔ)音、數據和視頻做運算處理；或者也可以這么說(shuō)，DSP是為各種數學(xué)運算量身打造的。
圖1.6 DSP處理器 相比之下，套用近些年Xilinx提出的一句很經(jīng)典的廣告詞“All Programmable”來(lái)形容FPGA再合適不過(guò)了。ARM雖然有很多外設，DSP雖然具備強大的信號運算能力，但是FPGA眼里，這些都不過(guò)是“小菜一碟”�；蛟S說(shuō)得有些過(guò)了，但是，毫不夸張的講，ARM能做的，DSP能做的，FPGA一定也都能做；而FPGA可以做的，ARM不一定行，DSP也不一定行。這就是很多原型產(chǎn)品設計過(guò)程中，時(shí)不時(shí)的有人會(huì )提出基于FPGA的方案了。在一些靈活性要求高、定制化程度高、性能要求也特別高的場(chǎng)合，FPGA再合適不過(guò)了，甚至有時(shí)會(huì )是設計者別無(wú)選擇的選擇；當然了，客觀(guān)的來(lái)看，FPGA固然強大，它高高在上的成本、功耗和開(kāi)發(fā)復雜性還是會(huì )讓很多潛在的目標客戶(hù)望而卻步，而在這些方面，ARM和DSP正好彌補了FPGA所帶來(lái)的缺憾。
圖1.7 FPGA器件 之所以會(huì )有ARM、DSP和FPGA的存在，和實(shí)際應用情景是非常相關(guān)的。對于A(yíng)RM，它的主要應用情景常常是有一些低速數據的采集、簡(jiǎn)單的處理和傳輸，也還需要一些人機交互手段的存在。前面提到，ARM處理器周邊通常外設豐富，且它本身就精于控制，所以就很適合此類(lèi)應用。對于DSP，有無(wú)人機交互就無(wú)所謂了，它的應用情景最主要的特點(diǎn)一定是高速數據的實(shí)時(shí)采集、較復雜的運算處理和傳輸。那么對此作過(guò)專(zhuān)門(mén)優(yōu)化的DSP就能輕松勝任。而FPGA，可以這么說(shuō)，它是可以補前面二者的“缺”和“漏”，FPGA可以在A(yíng)RM和DSP之外滿(mǎn)足各種定制化的需求。筆者在參觀(guān)過(guò)一家專(zhuān)門(mén)為航空、醫療和工控行業(yè)做小批量電路板代工的企業(yè)后，印象最深的就是在琳瑯滿(mǎn)目的電路板中，往往都能找到一顆FPGA器件，而這在大批量生產(chǎn)、成本敏感的消費電子領(lǐng)域中，是不可想象的。換句話(huà)說(shuō)，ARM和DSP在大批量、低成本的應用中較為常見(jiàn)；而FPGA則更多的在小批量、定制化、成本不敏感的行業(yè)中應用。 總而言之，在嵌入式系統設計領(lǐng)域，FPGA、ARM和DSP互有優(yōu)劣，各有所長(cháng)。很多時(shí)候它們所實(shí)現的功能無(wú)法簡(jiǎn)單的相互替代，否則我們就不會(huì )見(jiàn)到如TI的達芬奇系列ARM中有DSP、Xilinx的Zynq或Altera的Soc FPGA中有ARM的共生現象了。FPGA、ARM和DSP，它們將在未來(lái)很長(cháng)的一段時(shí)間內呈現三足鼎立的局面。 說(shuō)到FPGA，我們一定關(guān)心它的開(kāi)發(fā)方式。FPGA開(kāi)發(fā)本質(zhì)上就是一些邏輯電路的實(shí)現而已，因此早期的FPGA開(kāi)發(fā)通過(guò)繪制原理圖（和現在的硬件工程師繪制原理圖的方式大體相仿）完成。而隨著(zhù)FPGA規模和復雜性的不斷攀升，這種落后的設計方式幾乎已經(jīng)被大家遺忘了，取而代之的是能夠實(shí)現更好的編輯性和可移植性的代碼輸入方式。 說(shuō)到FPGA的設計代碼，經(jīng)過(guò)近三十年的發(fā)展，只有Verilog和VHDL二者最終脫穎而出，成為了公認的行業(yè)標準。這兩種語(yǔ)言都是通過(guò)一系列分層次的模塊來(lái)表示復雜的數字系統，逐個(gè)模塊的仿真驗證后，再集成各個(gè)模塊交由綜合工具生成門(mén)級的網(wǎng)表，最后由布局布線(xiàn)工具將其映射到最終的FPGA器件上。 大家在學(xué)習這兩種語(yǔ)言時(shí)，一定發(fā)現VHDL完全是一門(mén)“異類(lèi)”語(yǔ)言，在我們已有的各種編程語(yǔ)言中，應該是找不出語(yǔ)法、格式都類(lèi)似的“兄弟”，所以學(xué)習起來(lái)也一定非常痛苦。但是反觀(guān)Verilog語(yǔ)言，大家一定會(huì )產(chǎn)生莫名的好感，為啥？你可能一激動(dòng)就喊出來(lái)了“這基本就一C語(yǔ)言變種吧”，沒(méi)錯，Verilog語(yǔ)言就是在C語(yǔ)言的基礎上，增加一些特殊的約定而產(chǎn)生的。 Verilog是在1983年由Gateway Automation公司的Philip Moorby發(fā)明，此人也是目前EDA行業(yè)鼎鼎有名的Cadence公司的第一合伙人。時(shí)隔10年，1993年，幾乎所有的ASIC廠(chǎng)商都開(kāi)始支持Verilog，當然FPGA廠(chǎng)商也不例外，此時(shí)，IEEE（電氣和電子工程師協(xié)會(huì )）正式將當時(shí)的Verilog2.0作為標準的提案。1995年，IEEE制定了Verilog的標準IEEE1364-1995，即稱(chēng)之為Verilog-95的標準。2001年，在進(jìn)行了一番修正和擴展之后，發(fā)布了IEEE 1364-2001標準，即Verilog-2001。2005年，Verilog再次做出了細微的修正，發(fā)布了IEEE1364-2005標準，即Verilog-2005。
圖1.8 Verilog代碼 VHDL是Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language的縮寫(xiě),也是誕生于上世紀80年代初期，但它與Verilog的民間背景不同，VHDL則是美國軍方研發(fā)，且早在1987年就被IEEE和美國國防部確認為標準硬件描述語(yǔ)言，并公布了VHDL的標準版本IEEE-1076-1987（簡(jiǎn)稱(chēng)87版）。1993年,IEEE對VHDL進(jìn)行了修訂,從更高的抽象層次和系統描述能力上擴展VHDL的內容,公布了新版本的VHDL,即IEEE標準的1076-1993版本(簡(jiǎn)稱(chēng)93版)。
圖1.9 VHDL代碼 大多數工科生在大一或大二基本都已經(jīng)接觸過(guò)C語(yǔ)言了，多少已經(jīng)有了一些先入為主的觀(guān)念，所以學(xué)習起Verilog語(yǔ)言來(lái)會(huì )更容易一些。換句話(huà)說(shuō)，Verilog相對VHDL有著(zhù)快速上手、易于使用的特點(diǎn)，所以博得了更多工程師的青睞。而VHDL雖然有著(zhù)天生的不惹人愛(ài)的特點(diǎn)，但是話(huà)說(shuō)“存在即是合理”，VHDL最大的特點(diǎn)是語(yǔ)法“嚴謹”，只要你上手了，基本它能“嚴謹”到你不容易在語(yǔ)言本身上隨便犯錯，這就是VHDL的厲害之處。所以，還是有不少公司或組織會(huì )毅然決然的選擇VHDL。 無(wú)論如何，語(yǔ)言只是FPGA開(kāi)發(fā)的一個(gè)手段或方式，它本身并不存在好壞優(yōu)劣之分，就看設計者怎么使用。而對于一個(gè)合格的FPGA工程師而言，無(wú)論是Verilog還是VHDL，一定要精通其中的一門(mén)語(yǔ)言，能夠“信手捻來(lái)”的服務(wù)于開(kāi)發(fā)設計工作；但也絕不能對另一門(mén)語(yǔ)言一竅不通，畢竟在實(shí)際工作中，很多情況下也會(huì )涉及到另一門(mén)語(yǔ)言的使用。因此，兩門(mén)語(yǔ)言都不能落下，精通一門(mén)是必須的，也能夠熟練的使用另一門(mén)語(yǔ)言那是最好不過(guò)。 相比于互聯(lián)網(wǎng)的那些“暴發(fā)戶(hù)”，半導體行業(yè)則更講究歷史底蘊，“今天丑小鴨，明天白天鵝”的故事要少得多，因此兩家歷史最為久遠的FPGA供應商Altera和Xilinx憑著(zhù)一直以來(lái)的專(zhuān)注，確保了它們在這個(gè)行業(yè)的統治地位。當然了，很大程度上也是由于FPGA技術(shù)相對于一般的半導體產(chǎn)品有著(zhù)更高的門(mén)檻，從器件本身到一系列配套的工具鏈，再到終端客戶(hù)的技術(shù)支持——這一籮筐的麻煩事，讓那些行業(yè)大佬們想想就頭疼，更別提插足搗騰一下了。 目前FPGA器件的主流廠(chǎng)商Altera公司（已被Intel公司收購）和Xilinx公司，它們的可編程邏輯器件在全球市場(chǎng)上占到了將近90%。從明面上的“競爭對手”到今天暗地里還客氣的互稱(chēng)“友商”，不難看出兩家公司走過(guò)歷史長(cháng)河，雖然有“明爭暗斗”，但確也不經(jīng)意間的彼此促進(jìn)，互相激勵。的確，翻看FPGA的發(fā)展史，往往充斥著(zhù)這兩家公司不斷上演的“你方唱罷我登場(chǎng)”的情節，并且偶爾也會(huì )有第三者如Microsemi或Lattice小弟的“插足”戲份。不過(guò)這好在新千年過(guò)后，各方重新定位，Altera和Xilinx便牢牢把持住象征統治地位的中高端市場(chǎng)；Microsemi 高度聚焦于 FPGA 的安全應用領(lǐng)域，比如國防和航空；而Lattice也只能在低端市場(chǎng)找找“山中無(wú)老虎，猴子稱(chēng)大王”的感覺(jué)了。
圖1.10 四大FPGA廠(chǎng)商 不論是Altera、Xilinx、Microsemi還是Lattice，甚至一些后來(lái)者，如筆者接觸過(guò)的國內FPGA廠(chǎng)商京微雅格（目前處于苦苦掙扎之中），它們的FPGA器件內部結構雖然略有差異，但在開(kāi)發(fā)流程、開(kāi)發(fā)工具乃至原廠(chǎng)提供的各種支持上，都是“換湯不換藥”的。所以，這對對用戶(hù)而言，絕對是一個(gè)福音，只要好好的掌握一套方法論，任何廠(chǎng)商的器件都可以通吃。 更多資料共享 鏈接：https://share.weiyun.com/53UnQas |
