科普 | 全面解析FPGA基礎(chǔ)知識

FPGA (Field Programmable Gate Array)即現(xiàn)場可編程門陣列。它是在PLA、PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。

FPGA普遍用于實現(xiàn)數(shù)字電路模塊，用戶可對FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實現(xiàn)用戶的需求。它還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改?？梢院敛豢鋸埖闹v，F(xiàn)PGA能完成任何數(shù)字器件的功能，下至簡單的74電路，上至高性能CPU，都可以用FPGA來實現(xiàn)。FPGA如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設(shè)計一個數(shù)字系統(tǒng)。 

FPGA的發(fā)展歷史如下圖所示。相對于PROM、PAL/GAL、CPLD而言，F(xiàn)PGA規(guī)模更大性能更高。

FPGA芯片主流生產(chǎn)廠家包括Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi，其中前兩家的市場份額合計達到88%。目前FPGA主流廠商全部為美國廠商。國產(chǎn)FPGA由于研發(fā)起步較美國晚至少20年，目前還處于成長期，僅限于低端，在通信市場還沒有成熟應(yīng)用。

2015年12月，Intel公司斥資167億美元收購了Altera公司。Altera被收購后不久即制定了英特爾處理器與FPGA集成的產(chǎn)品路線圖。這兩種產(chǎn)品集成的好處是可以提供創(chuàng)新的異構(gòu)多核架構(gòu)，適應(yīng)例如人工智能等新市場的需求，同時能大幅縮減功耗。

FPGA在航天、軍工、電信領(lǐng)域有非常成熟和廣泛的應(yīng)用。以電信領(lǐng)域為例，在電信設(shè)備一體機階段，F(xiàn)PGA由于其編程的靈活性以及高性能被應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解析以及接口轉(zhuǎn)換。

• 在NFV（NetworkFunction Virtualization階段，F(xiàn)PGA基于通用服務(wù)器和Hypervisor實現(xiàn)網(wǎng)元數(shù)據(jù)面5倍的性能提升，同時能夠被通用Openstack框架管理編排。

• 在云時代，F(xiàn)PGA已經(jīng)被作為基本IaaS資源在公有云提供開發(fā)服務(wù)和加速服務(wù)，AWS、華為、BAT均有類似通用服務(wù)提供。

• 截至目前，Intel的Stratix 10器件已被成功應(yīng)用于微軟實時人工智能云平臺Brainwave項目。

Xilinx聚焦芯片領(lǐng)先和豐富的加速解決方案，通過開放策略獲得主流云平臺支持，確立了其在數(shù)據(jù)中心的領(lǐng)先地位。其UltraScale+系列FPGA領(lǐng)先友商1年多，使其在云平臺競爭中占領(lǐng)先機，其VU9P器件被大量應(yīng)用于包括AWS、Baidu、Ali、Tencent及華為在內(nèi)的多家公司的云計算平臺。

為滿足加速器領(lǐng)域?qū)PGA芯片日益遞增的性能需求，Xilinx已發(fā)布面向數(shù)據(jù)中心的下一代ACAP芯片架構(gòu)、推出7nm Everest器件。此器件已不屬于傳統(tǒng)的FPGA，它集成了ARM、DSP、Math Engine處理器陣列等內(nèi)核，將于2019年量產(chǎn)。相較于VU9P，Everest支持的AI處理性能將能提升20倍。

Intel則提供從硬件到平臺到應(yīng)用的全棧解決方案，不開放硬件和平臺設(shè)計以避免生態(tài)碎片化，投入巨大但進展緩慢。

FPGA在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器市場的實際應(yīng)用中存在一定技術(shù)難點，具體包括如下幾方面：

• 1、編程門檻較高：硬件描述語言不同于軟件開發(fā)語言，需要開發(fā)者對底層硬件有著較深刻的認識；因此人才也就成為限制FPGA應(yīng)用的一個重要因素。據(jù)了解，目前國內(nèi)從事FPGA開發(fā)的人員初步估計大約兩萬多人。

• 2、集成難度較大：FPGA開發(fā)與應(yīng)用需要軟硬件的協(xié)同，包括使用高級語言的系統(tǒng)建模、硬件代碼（電路）設(shè)計、硬件代碼仿真、底層驅(qū)動軟件與硬件邏輯的聯(lián)調(diào)等等。

• 3、開發(fā)周期相對軟件要長：硬件開發(fā)比軟件開發(fā)過程復(fù)雜，調(diào)試周期也被拉長。

• 4、很難獲取獨立邏輯IP。

4、FPGA整體結(jié)構(gòu)

FPGA架構(gòu)主要包括可配置邏輯塊CLB（Configurable Logic Block）、輸入輸出塊IOB（Input Output Block）、內(nèi)部連線（Interconnect）和其它內(nèi)嵌單元四個部分。

CLB是FPGA的基本邏輯單元。實際數(shù)量和特性會依器件的不同而改變，但是每個CLB都包含一個由4或6個輸入、若干選擇電路（多路復(fù)用器等）和觸發(fā)器組成的可配置開關(guān)矩陣。開關(guān)矩陣具有高度的靈活性，經(jīng)配置可以處理組合型邏輯、移位寄存器或 RAM。

FPGA可支持許多種I/O標準，因而可以為系統(tǒng)設(shè)計提供理想的接口橋接。FPGA 內(nèi)的I/O按bank分組，每個bank能獨立支持不同的I/O標準。目前最先進的FPGA提供了十多個I/O bank，能夠提供靈活的I/O支持。

CLB 提供了邏輯性能，靈活的互連布線則負責(zé)在CLB和I/O之間傳遞信號。布線有幾種類型，從設(shè)計用于專門實現(xiàn) CLB 互連（短線資源）、到器件內(nèi)的高速水平和垂直長線（長線資源）、再到時鐘與其它全局信號的全局低skew布線（全局性專用布線資源）。一般，各廠家設(shè)計軟件會將互連布線任務(wù)隱藏起來，用戶根本看不到，從而大幅降低了設(shè)計復(fù)雜性。

內(nèi)嵌硬核單元包括RAM、DSP、DCM（數(shù)字時鐘管理模塊）及其它特定接口硬核等，F(xiàn)PGA器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下示意圖。

一般來說，器件型號數(shù)字越大，表示器件能提供的邏輯資源規(guī)模越大。在FPGA器件選型時，用戶需要對照此表格，根據(jù)業(yè)務(wù)對邏輯資源（CLB）、內(nèi)部BlockRAM、接口（高速Serdes對數(shù)）、數(shù)字信號處理（DSP硬核數(shù)）以及今后擴展等多方面的需求，綜合考慮項目最合適的邏輯器件。

FPGA的設(shè)計流程就是利用EDA開發(fā)軟件和編程工具對FPGA芯片進行開發(fā)的過程。FPGA的開發(fā)流程一般如下圖所示，包括功能定義/器件選型、設(shè)計輸入、功能仿真、邏輯綜合、布局布線與實現(xiàn)、編程調(diào)試等主要步驟。

1、功能定義/器件選型：在FPGA設(shè)計項目開始之前，必須有系統(tǒng)功能的定義和模塊的劃分，另外就是要根據(jù)任務(wù)要求，如系統(tǒng)的功能和復(fù)雜度，對工作速度和器件本身的資源、成本、以及連線的可布性等方面進行權(quán)衡，選擇合適的設(shè)計方案和合適的器件類型。

2、 設(shè)計輸入：設(shè)計輸入指使用硬件描述語言將所設(shè)計的系統(tǒng)或電路用代碼表述出來。最常用的硬件描述語言是Verilog HDL。

3、 功能仿真：功能仿真指在邏輯綜合之前對用戶所設(shè)計的電路進行邏輯功能驗證。仿真前，需要搭建好測試平臺并準備好測試激勵，仿真結(jié)果將會生成報告文件和輸出信號波形，從中便可以觀察各個節(jié)點信號的變化。如果發(fā)現(xiàn)錯誤，則返回設(shè)計修改邏輯設(shè)計。常用仿真工具有Model Tech公司的ModelSim、Sysnopsys公司的VCS等軟件。

4、 邏輯綜合：所謂綜合就是將較高級抽象層次的描述轉(zhuǎn)化成較低層次的描述。綜合優(yōu)化根據(jù)目標與要求優(yōu)化所生成的邏輯連接，使層次設(shè)計平面化，供FPGA布局布線軟件進行實現(xiàn)。就目前的層次來看，綜合優(yōu)化是指將設(shè)計輸入編譯成由與門、或門、非門、RAM、觸發(fā)器等基本邏輯單元組成的邏輯連接網(wǎng)表，而并非真實的門級電路。

真實具體的門級電路需要利用FPGA制造商的布局布線功能，根據(jù)綜合后生成的標準門級結(jié)構(gòu)網(wǎng)表來產(chǎn)生。為了能轉(zhuǎn)換成標準的門級結(jié)構(gòu)網(wǎng)表，HDL程序的編寫必須符合特定綜合器所要求的風(fēng)格。常用的綜合工具有Synplicity公司的Synplify/Synplify Pro軟件以及各個FPGA廠家自己推出的綜合開發(fā)工具。

5、布局布線與實現(xiàn)：布局布線可理解為利用實現(xiàn)工具把邏輯映射到目標器件結(jié)構(gòu)的資源中，決定邏輯的最佳布局，選擇邏輯與輸入輸出功能鏈接的布線通道進行連線，并產(chǎn)生相應(yīng)文件(如配置文件與相關(guān)報告)；實現(xiàn)是將綜合生成的邏輯網(wǎng)表配置到具體的FPGA芯片上。由于只有FPGA芯片生產(chǎn)商對芯片結(jié)構(gòu)最為了解，所以布局布線必須選擇芯片開發(fā)商提供的工具。

6、編程調(diào)試：設(shè)計的最后一步就是編程調(diào)試。芯片編程是指產(chǎn)生使用的數(shù)據(jù)文件(位數(shù)據(jù)流文件，Bitstream Generaon)，將編程數(shù)據(jù)加載到FPGA芯片中；之后便可進行上板測試。最后將FPGA文件（如.bit文件）從電腦下載到單板上的FPGA芯片中。

FPGA開發(fā)完畢，最終得到驗證好的加載文件。輸出加載文件后，即可開始正常業(yè)務(wù)處理和驗證(以軟件加載方式為例，描述整個過程)

• 1、邏輯加載；

• 2、單板軟件加載邏輯后，需要復(fù)位邏輯；

• 3、復(fù)位完成后，軟件需等待等待一段時間至邏輯鎖相環(huán)工作穩(wěn)定；

• 4、軟件啟動對邏輯的外部RAM、內(nèi)部Block RAM、DDRC等的自檢操作；

• 5、軟件完成自檢以后，對邏輯所有可寫RAM空間及寄存器進行初始化操作；

• 6、初始化完畢，軟件參考邏輯芯片手冊配置表項及寄存器；

• 7、邏輯準備好，可以開始處理業(yè)務(wù)。

FPGA適合非規(guī)則性多并發(fā)、密集計算及協(xié)議解析處理場景，例如人工智能、基因測序、視頻編碼、數(shù)據(jù)壓縮、圖片處理、網(wǎng)絡(luò)處理等各領(lǐng)域的加速。