Arduino再次向世界證明：沒有Arduino干不了的事！

FPGA是Field Programmable Gate Arrays的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列?？梢詣?chuàng)建定制硬件，從而消除與廠商相關的成本。不幸的是，大多數(shù)芯片設計的復雜性仍然存在，這就是為什么大多數(shù)人更喜歡使用現(xiàn)成的芯片，往往接受他們的限制，而不是采取挑戰(zhàn)，以獲得他們需要的硬件優(yōu)化，高效的設計。

然而FPGA入門并不簡單，抽象的HDL語言，即便對于編程已經入門了的用戶來說，其代碼仍然如天書一樣晦澀難懂，更不用說精通了。Vidor4000是Arduino新推出的一款開發(fā)板，試圖將FPGA隱藏在相對簡單的Arduino中，期望能消除這一障礙!

Vidor4000采用的新版MKR形式提供給用戶，開發(fā)板上包含一顆Cyclone 10 10CL016 FPGA ，另外還包括一顆來自MicrochipTechnology 的SAMD21低功耗芯片，基于Arm Cortex-M0+。

大部分組件增位于開發(fā)板正面，開發(fā)板的反面絲印列出了MKR兼容引腳。

Vidor中使用的Intel Cyclone 10CL016 FPGA具有16,000個邏輯單元，504 KB的嵌入式RAM，以及用于DSP操作的硬件乘法器。引腳可以高達150MHz的速度運行（有時稱為150兆翻轉）。這個特殊部分非常適合音頻和視頻處理。開發(fā)板上主要的器件分布及名稱如下：

在很小的尺寸上，Vidor4000提供了MicroHDMI、MIPI Camera及MiniPIC Express等接口，這些接口一般只在一些高檔的Cortex A系列開發(fā)板上才提供。不過考慮到開發(fā)板上有一塊FPGA芯片，這些配置也就合情合理了。Vidor4000的主要特性如下：

?8 MB SRAM

? 2 MB QSPI閃存芯片 - 為用戶應用程序分配1 MB

?Micro HDMI連接器

?MIPI相機連接器

?Wi-Fi和BLE由U-BLOX NINA W10系列設備供電

?所有引腳均由SAMD21（32位ARM CPU）和FPGA驅動的MKR接口

?Mini PCI Express連接器，最多25個用戶可編程引腳

?FPGA（Intel/Altera Cyclone 10CL016）包含16K邏輯單元，504 KB嵌入式RAM和56個18×18位HW乘法器

在正式體驗之前，我們有必要了解一下FPGA與MCU的區(qū)別。FPGA和微處理器之間的根本區(qū)別在于，在微處理器中，內部硬件如I2C、SPI等是早已設計好的，產品出廠后不會再發(fā)生變化。內部晶體管具有特定的目的和特定的連接，雖然通常存在多路復用器和內部開關以使芯片更易于配置。但是，它仍然是固定功能電路。另一方面，F(xiàn)PGA可以配置（并重新配置）為幾乎任何數(shù)字電路。實際應用上，一般在FPGA設計中嵌入微處理器內核。

硬件特性決定了功能設計(程序開發(fā))最本質的差異。對于MCU，我們通過寄存器或者配套的SDK來進行功能設計，代碼經編譯后使用下載器如JTAG等上載到設備上。對于FPGA來說，現(xiàn)在的主流設計方法是使用HDL來描述硬件功能，HDL的最終結果是Bitstream，供FPGA來進行執(zhí)行。

到目前為止，我們對于使用Arduino來開發(fā)FPGA仍是一片空白！也許代碼會讓我們會有更深入的了解。

接下準備Arduino開發(fā)環(huán)境，按照官方的文檔，我們需要安裝幾個支持庫。

第一個是Arduino MKR Vidro4000硬件平臺支持。

這幾個軟件庫也是需要的，其中第一個主要用于圖形相關的支持，第二個是FPGA外設相關的庫，最后一個則是WiFi相關的軟件庫。

啟動Arduino IDE，打開Blink程序，配置開發(fā)板類型及商品如下：

配置完成后，按Ctrl+U上傳代碼到Vidro4000開發(fā)板，可以看到如下的內容顯示

Atmel SMARTdevice 0x10010005 found Device :ATSAMD21G18A Chip ID :10010005 Version :v2.0 [Arduino:XYZ] Aug 9 2018 11:17:30 Address :8192 Pages :-129 Page Size :64 bytes Total Size :4194295KB Planes : 1Lock Regions : 16 Locked :none Security :false Boot Flash :true BOD :true BOR : true Arduino :FAST_CHIP_ERASE Arduino :FAST_MULTI_PAGE_WRITE Arduino :CAN_CHECKSUM_MEMORY_BUFFER Erase flash done in 0.829 seconds Write 683844 bytes to flash (10686 pages) [ ] 0% (64/10686pages) [ ] 1% (128/10686pages)

代碼上傳成功后，看到開發(fā)板上的LED開始閃爍。

是不是咱已經開始使用FPGA來點燈了？答案是否！現(xiàn)在的代碼和FPGA半毛錢的關系都沒有。這一段代碼只是用SAM21來點了個燈。

按照一般的方法，要使用FPGA，得先設計HDL代碼，然后再編譯成Bitstream。不過Arduino將這些繁瑣的過程全部放進了軟件庫內，通過相關的C代碼來實現(xiàn)相關的功能。Arduino對SADM21編程，SAMD21則通過JTAG接口向FPAG發(fā)出指令。如下：

這是SAMD21的JTAG接口，和下圖的FPAG的JTAG接口連接以實現(xiàn)通信

大致了解了Vidor4000的工作原理后，我們來看一段代碼，

// Let's configure pin A0 to be an output, controlled by the FPGAFPGA.pinMode(33, OUTPUT); FPGA.digitalWrite(33, HIGH); // The same pin can be read by the SAMD processor :) pinMode(A0,INPUT); Serial.print("Pin A0 is "); Serial.println(digitalRead(A0) == LOW ? "LOW" : "HIGH"); FPGA.digitalWrite(33, LOW); Serial.print("Pin A0 is "); Serial.println(digitalRead(A0) == LOW ? "LOW" : "HIGH");

SAMD21和FPGA的一些端口實際上是連接在一起的。如編號為33的FPGA端口，就和SAM21引出的A0接口連接到一起，這一段代碼使用FPGA來輸出信號，而使用SAMD21來讀取信號，可以看作是二者的協(xié)作吧。

使用C代碼來控制FPGA的操作被封裝在類FPAG中，初始化FPGA的方法調用為FPGA.begin()

其它的一些操控FPGA的方法例如FPAG.pinMode()方法調用可以參考前面一段代碼。

看上去很美好！

但是中間牽涉的細節(jié)太多！舉例來說，最基本的GPIO操作，官方給出的文檔還不完備，還沒有一個完整的列表，用戶如果需要使用這些功能，只能通過查看原理圖來查看；另外內部IP核的封裝，依賴官方給出的IP核，而完善這些功能，對于不熟悉FPGA的用戶來說，仍然是一個大問題！

官方給出的庫支持中，目前GPIO、I2C、SPI等都在支持之列。另外像WiFi、HDMI及Camera等操作都給出了參考Demo，但是支持的設備有限，例如MIPI Camera只支持Omnivision OV5647 。

對于熟悉FPGA編程的用戶，官方也給出了一個Git倉庫，提供了Arduino Vidor系列產品兼容的FPGA IP模塊，面向已熟悉FPGA開發(fā)過程的用戶。地址為https://github.com/vidor-libraries/VidorFPGA。

不管怎么說，至少FPGA的Arduino已走出了一步，在官方和社區(qū)的共同努力下，我們有理由相信，未來的FPGA，必定不會僅僅是陽春白雪，曲高而和寡！

Arduino再次向世界證明：沒有Arduino干不了的事！