關于異構計算FPGA基礎知識的詳細介紹

（文章來源：T客幫）

隨著云計算，大數(shù)據(jù)和人工智能技術應用，單靠 CPU 已經(jīng)無法滿足各行各業(yè)的算力需求。海量數(shù)據(jù)分析、機器學習和邊緣計算等場景需要計算架構多樣化，需要不同的處理器架構和 GPU，NPU 和 FPGA 等異構計算技術協(xié)同，滿足特定領域的算法和專用計算需求。今天，筆者帶大家詳細了解下 FPGA 技術。

FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 簡稱，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上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路 (ASIC) 領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)可重復編程和動態(tài)在系統(tǒng)重構的特性，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計一個數(shù)字系統(tǒng)。

FPGA 架構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（多路復用器等）和觸發(fā)器組成的可配置開關矩陣。開關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在 CLB 和 I/O 之間傳遞信號。布線有幾種類型，從設計用于專門實現(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，各廠家設計軟件會將互連布線任務隱藏起來，用戶根本看不到，從而大幅降低了設計復雜性。

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。

功能定義/器件選型：在 FPGA 設計項目開始之前，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)任務要求，如系統(tǒng)的功能和復雜度，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衡，選擇合適的設計方案和合適的器件類型。設計輸入：設計輸入指使用硬件描述語言將所設計的系統(tǒng)或電路用代碼表述出來。最常用的硬件描述語言是 Verilog HDL。

功能仿真：功能仿真指在邏輯綜合之前對用戶所設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，則返回設計修改邏輯設計。常用仿真工具有 Model Tech 公司的 ModelSim、Sysnopsys 公司的 VCS 等軟件。

邏輯綜合：所謂綜合就是將較高級抽象層次的描述轉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構網(wǎng)表來產(chǎn)生。為了能轉換成標準的門級結構網(wǎng)表，HDL 程序的編寫必須符合特定綜合器所要求的風格。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。

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構的資源中，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)生相應文件 (如配置文件與相關報告)；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)商對芯片結構最為了解，所以布局布線必須選擇芯片開發(fā)商提供的工具。

編程調(diào)試：設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，需要復位邏輯；3、復位完成后，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。7、FPGA 適用場景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)絡處理等各領域的加速。
? ? ? ?（責任編輯：fqj）