給MCU工程師詳解FPGA硬件屬性

我的許多朋友都是經驗豐富的嵌入式設計工程師，但他們都是微控制器(MCU)背景，因此對于FPGA是什么以及FPGA能做什么只有一個模糊的概念。如果問急了，他們會說“你可以通過配置FPGA讓它做不同的事情”諸如此類的話，但他們真的不是很清楚FPGA里面有什么，或者如何在設計中使用FPGA。

事實上，MCU對有些任務來說是很適合的，但對其它一些任務來說可能做的并不好。舉例來說，當需要并行執(zhí)行大量計算任務時，FPGA可能會讓你喜出望外。在本文中我們將討論FPGA的硬件屬性。

簡單的FPGA構造

在集成電路領域人們經常會聽到構造(fabric)這個術語，它指的是FPGA器件的底層基礎結構。(作為一個興趣點，單詞“構造”來自中世紀英語fabryke，意思是“建造的某些東西”)。下面讓我們從FPGA中的內核可編程構造開始吧……

如果我們仔細觀察FPGA封裝的內部，我們將看到硅片(技術術語裸片)。可編程構造表現為可編程邏輯塊陣列，如下圖所示。如果我們用放大鏡“放大查看”，我們可以看到這種構造由沉浸于可編程互連“海洋”中的許多邏輯“島”(可編程邏輯塊)組成。

圖1：簡單的FPGA構造。

基本FPGA可編程構造的一般性表示。

是啊，我確實是用自己的雙手親自創(chuàng)作的這幅圖片，我因此感到非常自豪呢，非常感謝你加以關注。如果我們進一步放大，我們可以看到，每個可編程模塊都包含有許多數字功能。在這個例子中，我們可以見到一個三輸入的查找表(LUT)、一個復用器和一個觸發(fā)器，但重要的是我們要認識到，這些功能的數量和類型對不同系列的FPGA來說是會變化的。

觸發(fā)器可以被配置(編程)為寄存器或鎖存器;復用器可以被配置為選擇一個到邏輯塊的輸入或LUT的輸出;LUT可以被配置為代表任何所要求的邏輯功能。

更詳細地了解LUT

上面所示的簡單例子包含一個三輸入的查找表(LUT)。在實際應用中，即使最簡單的FPGA都會使用四輸入LUT，而一些更大更復雜的器件甚至會宣稱使用六、七或八輸入的LUT，但為了簡單起見，我們還是討論三輸入版本。

我們會在以后的文章中討論各種類型的FPGA實現技術?，F在我們只需要知道，FPGA內部的可編程單元可以用反熔絲、閃存單元或SRAM內存單元來實現。先讓我們看一個用反熔絲技術創(chuàng)建的FPGA吧。這是一種一次性可編程(OTP)技術，這意味著一旦你編程了這個FPGA，它將永遠保持這個狀態(tài)而不再改變。

形象化介紹這種技術的最簡單方法是用下圖所示級聯的2:1復用器(MUX)。對基于反熔絲技術的FPGA來說，編程器件相當于通過“硬件連線”將第一組復用器的輸入連接到實現目標邏輯功能所需的正確0或1值。下圖中所示的值反映的實際結果是，我們使用這個LUT實現了前面那張圖隱含的公式y=(a b)|c。在實際應用中，復用器可以用場效應管的分支“樹”來實現，但我們在這里真的不用擔心最底層的實現細節(jié)。

圖2：輸入值經“硬件連接的”反熔絲型LUT(左)，輸入從SRAM單元饋入的SRAM型LUT(右)。

另外一種非常常見的FPGA實現技術是使用SRAM配置單元。同樣，我們會在以后的文章中討論更多的細節(jié)。這里我們所要知道的僅是當電路板第一次上電時，基于SRAM的FPGA會加載配置信息(我們可以把這個過程想像為器件的編程)。作為這種配置的一部分，用作LUT復用器輸入的SRAM單元會被加載進上圖所示的目標0或1值。

我沒有顯示0和1被加載進SRAM單元的那種機制，因為我不想讓問題變得復雜。出于這次討論的目的，我們真的無需擔心這種“魔術”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—FPGA的一部分可以發(fā)起對另一部分進行再配置(當然反過來也行)。對于具有微控制器和/或軟件背景的讀者來說，我們可以將這種技術想象為相當于自我修改代碼的硬件。這意味著這種技術是非常非常強大的，但也會帶來很難隔離和調試的問題。

通用的輸入和輸出

FPGA器件還包含有通用的輸入/輸出(GPIO)引腳和焊盤(圖1中沒有顯示)。通過配置單元，FPGA器件內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或多個可編程邏輯塊的輸入。任何邏輯塊的輸出也可以用來驅動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標準，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)點制造的)，它包含有8×8=64的邏輯塊陣列，每個邏輯塊包含一個四輸入LUT和其它一些簡單功能。從那以后，FPGA發(fā)展勢不可擋，正像我們看到的那樣……

更為復雜的FPGA架構

正如我們在前面說的那樣，賽靈思公司在1985年推出的第一塊FPGA—XC2064包含8×8=64的邏輯塊陣列，每個邏輯塊包含一個四輸入查找表及其它一些簡單功能。由于它們的容量非常有限，因此早期的FPGA只用來執(zhí)行一些相對簡單的任務，比如集中一些膠合邏輯，或實現基本的狀態(tài)機。然而隨著時間的推移，事情開始改變……

隨著時間的推移和工藝節(jié)點的進步，FPGA的容量和性能不斷得到提高，功耗卻不斷的下降。直到大約2006年以前廣泛使用的一直是四輸入查找表。事實上，在寫這篇文章之時，較小的FPGA系列器件仍在使用四輸入的查找表，但一些高端器件可能使用六、七或八輸入的查找表。這些大家伙可能被用作一個大的查找表，或分裂成許多更小的功能，比如兩個四輸入的查找表或一個三輸入一個五輸入的查找表。在實際的高端器件中，這種可編程構造可以描述相當于百萬級(有時甚至千萬級)的原始邏輯門。

如果某個邏輯功能(比方說計數器)是用FPGA的可編程構造實現的，那么這個功能可以被說成“軟功能”。相比之下，如果某個功能是直接用芯片實現的，則被說成“硬功能”。(隨著這些功能變得越來越大越來越復雜，我們一般稱它們?yōu)閮群?。軟內核的優(yōu)勢在于，你可以讓它們做你想讓它們做的任何事。硬內核的優(yōu)勢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核(用可編程構造實現)和硬內核(直接用硅片實現)。這樣，除了基于查找表的可編程構造外，今天的FPGA可以利用以下介紹的各種硬內核進行性能增強：

圖3：更復雜的FPGA架構。

舉例來說，該器件可能包含數千個加法器、乘法器和數字信號處理(DSP)功能;數兆位的片上內存，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。

帶嵌入式處理器的FPGA

這是真正讓人興奮的事情……你可以用FPGA中的普通可編程構造做的事情之一是，使用其中的一部分實現一個或多個軟處理器內核。當然，你可以實現不同規(guī)模的處理器。舉例來說，你可以創(chuàng)建一個或多個8位的處理器，加上一個或多個16位或32位的軟處理器—所有處理器都在同一器件中。

如果FPGA供應商希望提供一個占用較少硅片面積、消耗較低功率但性能更高的處理器，解決方案是將它實現為硬內核。一個非常令人興奮的開發(fā)成果是Altera和賽靈思等公司最近推出的SoC FPGA。考慮下面所示這個例子：

圖4：一種新的SoC FPGA

這個漂亮的小東西整合了一個完全以硬內核方式實現的雙路ARM Cortex-A9微控制器子系統(運行時鐘高達1GHz，包含浮點引擎，片上緩存，計數器，定時器等)，以及種類廣泛的硬內核接口功能(SPI,I2C,CAN等)，還有一個硬內核的動態(tài)內存控制器，所有這些組件都利用大量傳統的可編程構造和大量的通用輸入輸出(GPIO)引腳進行了性能增強。(即將在16nm節(jié)點推出的一款SoC FPGA據稱包含四內核的64位ARM Cortex-A53處理器，雙內核32位ARM Cortex-R5實時處理器，以及一個ARM Mali-400MP圖形處理器。這些可不是你祖母時候的FPGA哦!)

傳統的嵌入式系統架構師可能將其中一個器件放置在電路板上，并將它用作傳統的高性能雙內核ARM Cortex-A9微控制器。當電路板上電時，硬微控制器內核立即啟動，并在任何可編程構造完成配置之前就可用了。這樣可以節(jié)省時間和精力，并讓軟件開發(fā)人員和硬件設計師同時開始開發(fā)。

一種情形是軟件開發(fā)人員捕獲他們的代碼，在SoC FPGA的Cortex-A9處理器上運行這些代碼，然后通過分析識別任何可能嚴重影響性能并成為瓶頸的功能。這些功能隨后可能就轉交給硬件設計工程師用可編程構造來實現，它們(這些功能，不是設計工程師)將使用較低的時鐘頻率提供明顯更高的性能，而且功耗更低。

前面我們說過，硬內核實現的功能(圖4所示的ARM Cortex-A9就是一種硬內核)與等效的軟內核相比具有更高的性能和更低的功耗。但現在我們又說如果在硬內核處理器上運行的軟件功能是個瓶頸，我們可以用可編程構造來實現，這樣它就能……你理解的沒錯，提供更高的性能和更低的功耗。