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1、FPGA研发之道FPGA是个什么玩意？FPGA是个什么玩意？首先来说：FPGA是一种器件。其英文名 feild programable gate arry 。很长，但不通俗。通俗来说，是一种功能强大似乎无所不能的器件。通常用于通信、网络、图像处理、工业控制等不同领域的器件。就像ARM、DSP等嵌入式器件一样，成为无数码农码工们情感倾泻而出的代码真正获得生命的地方。只不过，一样的编程，却是不一样的思想。嵌入式软件人员看到的是C。而FPGA工程师看到是硬件描述语言，verilog或VHDL。软件看到是函数、对象、重构。FPGA工程师则是模块、流水、复用。从现象上看，都是代码到下载程序再到硬件上运行
2、。不能只看现象而忽略本质。FPGA 开发本质上是设计一颗IC，“*的身子，丫鬟的命”不是所有verilog/VHDL代码，都能获得青睐去流片成为真正的芯片，而更多的则成为运行在FPGA器件上，成为完成相同功能的替代品。其实现的功能却一点也不逊色于百万身价流片的近亲。从而成为独树一帜的行业。FPGA开发的流程，是通过verilog/VHDL等硬件描述语言通过EDA工具编译、综合、布局布线成为下载文件，最终加载到FPGA器件中去，完成所实现的功能。那硬件描述语言描述的是什么？这里描述的就是组合逻辑电路和时序逻辑电路。组合逻辑电路就是大家所熟知的 与门、或门、非门。时序逻辑电路则是触发器。数字芯片上
3、绝大部分逻辑都是这两种逻辑实现的。也就是基本上每个电子行业的人所学过的数字电路。顺便说一下，感谢香农大师，在其硕士毕业论文就奠定了数字电路的的根基。只不过在FPGA中，与或非的操作变成了查找表的操作。于是所有的数字电路变成了查找表和寄存器，这就构成了FPGA的基础。查找表负责逻辑实现，寄存器存储电路状态。二者配合，双剑合璧，天衣无缝。这是最初的FPGA的雏形。 现代FPGA内部出了查找表和寄存器之外，还有RAM块，用于存储大量的数据块，这是因为RAM块较寄存器来存储大量数据更能节省芯片实现的面积。FPGA内部的时序电路则需要时钟的输入，通常FPGA内部需要时钟种类较多，因此需要在片内产生所需的
4、的相关的时钟，如不同频率，不同相位的时钟，因此时钟管理单元DCM/PLL也是必不可少的内部部件。除此之外，FPGA内部还包括接口I/O，I/O分为普通I/O和高速I/O，高速I/O支持例如高速的SERDES，用于实现XAUI，PCIE等高速接口，这些接口动辄几Gbps到10Gbps以上。此外种类多种多样的硬核IP也是各FPGA厂商差异化竞争利器，例如POWERPC、ARM等硬核IP。从而构成CPU+FPGA于一体的集可编程性和可重构的处理平台。因此，相对来所，FPGA虽然发展有二三十年的历史，其基本架构一直不变不大。回到问题开始的地方，FPGA的英文翻译过来是现场可编程门阵列。这是相对ASIC
5、来说的，ASIC的硬件也可看做是门阵列，但是其是非可编程的器件。流片完成其功能就固化了，而FPGA的可编程性就在其能够重新下载配置文件，来改变其内在的功能，这就是其可编程性的由来。从前端开发流程来说，FPGA和ASIC开发并无二至。由于ASIC开发一次性投入成本较高，FPGA无疑是一种经济的替代方案，用于实现的高速的数据并行处理。如业务能够支撑大规模应用并且协议固化，则能够分摊成本的ASIC实现就有成本的优势。 FPGA作为一种器件，技术上主要垄断在少数大公司手中，那就是双巨头ALTERA和XILINX。除此之外还有一些份额相对较小的公司，例如ACTEL和LATTICE。不止是FPGA的硬件芯
6、片，其配套的EDA工具技术壁垒更高。因此相对于CPU来说，FPGA的国产化更不乐观，不过已经有国内的厂商来从事这一行业，例如国微和京微雅格等，也在一些细分市场上推出自己的FPGA产品。FPGA和他那些小伙伴们 （一） 系统架构组成通常来讲，“一个好汉三个帮”，一个完整的嵌入式系统中由单独一个FPGA使用的情况较少。通常由多个器件组合完成，例如由一个FPGA+CPU来构成。通常为一个FPGA+ARM，ARM负责软件配置管理，界面输入外设操作等操作，FPGA负责大数据量运算，可以看做CPU的专用协处理器来使用，也常会用于扩展外部接口。常用的有ARM+FPGA，DSP+FPGA，或者网络处理器+FP
7、GA等种种架构形式，这些架构形式构成整个高速嵌入式设备的处理形态。 不得不说的是，随着技术的进步，现在CPU中集成的单元也随之增加，例如TI的“达芬奇”架构的处理器内部通常由ARM+DSP构成。同时异构的处理器形态业逐渐流行，如ARM9+ARM7的结构。这类一个主要处理系统(ARM9)外带辅助处理系统(ARM7)的设计，同样成为现在处理器设计的流行方向。主处理系统运行嵌入式操作系统，而辅助处理单元则专注某一些的专用领域的处理。这些系统的应用减少了FPGA作为CPU协处理单元的领域。因为毕竟FPGA相比ARM等流行嵌入式处理器价格要相对较高。 在这种情形下，FPGA的厂商似乎也感受到了压力，不约
8、而同推出了带ARM硬核的FPGA，例如ALTERA的 和XILINX的ZYNQ和ALTERA的SOC FPGA。这是即是互相竞争的需要，也是同众多CPU厂商一掰手腕的杰总。即使在这两种在趋势下，经典的处理器+FPGA的设计仍然可看做为高性能嵌入式系统的典型配置。 经典的处理器+FPGA的配置中有多种的架构形式，即多个处理器单元,可能是ARM，MIPS,或者DSP，FPGA也可能是多片的配置，具体架构形式于具体处理的业务相关和目标设备的定位也相关。因为FPGA作为简单业务流大数据量的处理形态仍然是CPU无可比拟的优势，FPGA内部可以开发大量业务数据并行，从而实现高速的数据处理。 在实现高速处理
9、方面，CPU的另一个发展趋势是多核，多核处理器也能处理大数据量的业务的并行，例如业界TERILA已推出64核的多核处理器，采用MIPS处理器，通过二维MASH网络连接在一起，形成NOC的结构。在性能上已经和现有的高速FPGA的处理能力上不相上下。但是多核处理器的不得不说的问题就是，同一业务流分配到多核处理上后，如需交互，例如访问同一资源，就会造成读写的缓存一致的问题，解决的这一问题的天然思路是加锁，即在变量访问上加自旋锁，但是带来的问题就是处理性能的急剧下降。而FPGA无论并行处理和同一变量的访问，都可以变成工程师的设计水平的问题，没有原理性的挑战。 没有一种器件可以满足全人类的众多需求，因此
10、不用担心FPGA没有用武之地。必定是一系列产品的组合。下面主要介绍一下FPGA可以作为现今热门场景的几种应用。（1）网络存储产品，特别是现在的NAS，或者SAN设备上，其存储的时间、接口、安全性等都要求较高，而FPGA无论处理性能还是扩展接口的能力都使其在这一领域大有作为。现在高端FPGA单片就可以扩展32个或者更多4G或者8G的FC接口。并且其协议处理相对的固定，也使FPGA在这一领域有大量的可能应用。（2）高速网络设备，现在高速网络设备10G、40/100G以太网设备领域，同样FPGA也是关键的处理部件。特别是IPv6的商用化及大数据对于基础设施的高要求，都使这一领域的处理应用会逐渐广泛，
11、这一领域通常是高速网络处理器（NP）+FPGA的典型架构。（3）4G等通信设备，对于新一代通信基站的信号处理，FPGA+DSP阵列的架构就是绝配。特别是在专用处理芯片面世之前，这样的架构可以保证新一代通信基础设施的迅速研发和部署。 没有完美的架构，只有合适的组合，各种芯片和架构都是为应用服务，互相的渗透是趋势，也是必然。FPGA相对处理器的可编程领域，仍然属于小众（虽然人数也不少）。但是正像一则笑话所说：大腿虽然比根命根子粗，但决没有命子重要。这算开个玩笑。FPGA的实现为以后的芯片化留下了许多可能和想象空间，从而在应用大量爆发时通过芯片化来大幅降低成本，这这也正是其他可编程器件所不能比拟的。
12、FPGA和他那些小伙伴们 （二） 器件互联系统架构确定，下一步就是FPGA与各组成器件之间互联的问题了。通常来说，CPU和FPGA的互联接口，主要取决两个要素： （1）CPU所支持的接口。 （2）交互的业务。 通常来说，FPGA一般支持与CPU连接的数字接口，其常用的有EMIF，PCI,PCI-E,UPP,网口（MII/GMII/RGMII），DDR等接口。作为总线类接口，FPGA通常作为从设备与CPU连接，CPU作为主设备通过访问直接映射的地址对FPGA进行访问。根据是否有时钟同步，通常总线访问分为同步或异步的总线，根据CPU外部总线协议有所不同，但数据、地址、控制信号基本是总线访问类型中总
13、线信号所不能省略的。CPU手册中会对信号定义和时序控制有着详细的说明，FPGA需要根据这些详细说明来实现相应的逻辑。同时CPU还可以对访问时序进行设置，比如最快时钟，甚至所需的最小建立时间和保持时间，这些一般CPU都可以进行设置，而这些具体参数，不仅影响FPGA的实现，也决定总线访问的速度和效率。对于同步总线，只需要根据输入时钟进行采样处理即可，但对于异步总线，则需要的对进入的控制信号进行同步化处理，通常处理方式是寄存两拍，去掉毛刺。因此用于采样的时钟就与CPU所设置的总线参数相关，如采样时钟较低，等控制信号稳定后在译码后输出，一个总线操作周期的时间就会相对较长，其处理的效率也相对较低；假如采
14、样时钟过快，则对关键路径又是一个挑战，因此合理设定采样频率，便于接口的移植并接口的效率是设计的关键点和平衡点。 对于总线型的访问来说，数据信号通常为三态信号，用于输入和输出。这种设计的目的是为了减少外部连线的数量。因为数据信号相对较多一般为8/16/32位数据总线。总线的访问的优势是直接映射到系统的地址区间，访问较为直观。但相对传输速率不高，通常在几十到100Mbps以下。这种原因的造成主要为以下因素（1）受制总线访问的间隔，总线操作周期等因素，总线访问间隔即两次访问之间总线空闲的时间，而总线操作周期为从发起到相应的时间。（2）不支持双向传输，并且FPGA需主动发起对CPU操作时，一般只有发起
15、CPU的中断处理一种方式。这种总线型操作特点，使其可以用作系统的管理操作，例如FPGA内部寄存器配置，运行过程中所需参数配置，以及数据流量较小的信息交互等操作。这些操作数据量和所需带宽适中，可以应对普通的嵌入式系统的处理需求。 对于大数据流量的数据交互，一般采用专用的总线交互，其特点是，支持双向传输，总线传输速率较快，例如GMII/RGMII、Upp、专用LVDS接口，及SERDES接口。专用SERDES接口一般支持的有PCI-E，XAUI，SGMII，SATA，Interlaken接口等接口。GMII/RGMII,专用LVDS接口一般处理在1GbpS一下的业务形式，而PCI-E，根据其型号不
16、同，支持几Gbps的传输速率。而XAUI可支持到10Gbps的传输速率，lnterlaken接口可支持到40Gbps的业务传输。 对于不同所需的业务形式及处理器的类型，则可选择相应的接口形式，来传输具体的业务。现今主流FPGA中都提供的各种接口的IP。选择FPGA与各型CPU互联接口，一般选择主流的应用交互方案，特殊的接口缺少支撑IP，导致开发、调试、维护和兼容性的成本都较大，同时注意系统的持续演进的需要，如只在本项目使用一次，而下一项目或开发阶段已摒弃此类接口，则需提前规划技术路线。毕竟一个稳定、高效的接口互联是一个项目成功的基础。 不是所有的嵌入式系统都需要“高大上”的接口形式，各类低速的稳定接口也同样在FPGA的接口互联中有着重要的角色，其
