MCU工程師需要了解的FPGA硬件屬性

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。

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。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。

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。我們使用這個LUT實現了前面那張圖隱含的公式y(tǒng)=(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)。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)。

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。

FPGA器件還包含有通用的輸入/輸出(GPIO)引腳和焊盤。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

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)。

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。

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。

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。