给MCU工程师详解FPGA硬件属性

FPGA

我的许多朋友都是经验丰富的嵌入式设计工程师，但他们都是微控制器(MCU)背景，因此对于FPGA是什么以及FPGA能做什么只有一个模糊的概念。如果问急了，他们会说“你可以通过配置FPGA让它做不同的事情”诸如此类的话，但他们真的不是很清楚FPGA里面有什么，或者如何在设计中使用FPGA。

事实上，MCU对有些任务来说是很适合的，但对其它一些任务来说可能做的并不好。举例来说，当需要并行执行大量计算任务时，FPGA可能会让你喜出望外。在本文中我们将讨论FPGA的硬件属性。

简单的FPGA构造
在集成电路领域人们经常会听到构造(fabric)这个术语，它指的是FPGA器件的底层基础结构。(作为一个兴趣点，单词“构造”来自中世纪英语fabryke，意思是“建造的某些东西”)。下面让我们从FPGA中的内核可编程构造开始吧……如果我们仔细观察FPGA封装的内部，我们将看到硅片(威廉希尔官方网站术语裸片)。可编程构造表现为可编程逻辑块阵列，如下图所示。如果我们用放大镜“放大查看”，我们可以看到这种构造由沉浸于可编程互连“海洋”中的许多逻辑“岛”(可编程逻辑块)组成。

图1：简单的FPGA构造。

基本FPGA可编程构造的一般性表示。

是啊，我确实是用自己的双手亲自创作的这幅图片，我因此感到非常自豪呢，非常感谢你加以关注。如果我们进一步放大，我们可以看到，每个可编程模块都包含有许多数字功能。在这个例子中，我们可以见到一个三输入的查找表(LUT)、一个复用器和一个触发器，但重要的是我们要认识到，这些功能的数量和类型对不同系列的FPGA来说是会变化的。

触发器可以被配置(编程)为寄存器或锁存器；复用器可以被配置为选择一个到逻辑块的输入或LUT的输出；LUT可以被配置为代表任何所要求的逻辑功能。

更详细地了解LUT
上面所示的简单例子包含一个三输入的查找表(LUT)。在实际应用中，即使最简单的FPGA都会使用四输入LUT，而一些更大更复杂的器件甚至会宣称使用六、七或八输入的LUT，但为了简单起见，我们还是讨论三输入版本。

我们会在以后的文章中讨论各种类型的FPGA实现威廉希尔官方网站。现在我们只需要知道，FPGA内部的可编程单元可以用反熔丝、闪存单元或SRAM内存单元来实现。先让我们看一个用反熔丝威廉希尔官方网站创建的FPGA吧。这是一种一次性可编程(OTP)威廉希尔官方网站，这意味着一旦你编程了这个FPGA，它将永远保持这个状态而不再改变。

形象化介绍这种威廉希尔官方网站的最简单方法是用下图所示级联的2:1复用器(MUX)。对基于反熔丝威廉希尔官方网站的FPGA来说，编程器件相当于通过“硬件连线”将第一组复用器的输入连接到实现目标逻辑功能所需的正确0或1值。下图中所示的值反映的实际结果是，我们使用这个LUT实现了前面那张图隐含的公式y=(a & b)|c。在实际应用中，复用器可以用场效应管的分支“树”来实现，但我们在这里真的不用担心最底层的实现细节。

图2：输入值经“硬件连接的”反熔丝型LUT(左)，输入从SRAM单元馈入的SRAM型LUT(右)。

另外一种非常常见的FPGA实现威廉希尔官方网站是使用SRAM配置单元。同样，我们会在以后的文章中讨论更多的细节。这里我们所要知道的仅是当电路板第一次上电时，基于SRAM的FPGA会加载配置信息(我们可以把这个过程想像为器件的编程)。作为这种配置的一部分，用作LUT复用器输入的SRAM单元会被加载进上图所示的目标0或1值。

我没有显示0和1被加载进SRAM单元的那种机制，因为我不想让问题变得复杂。出于这次讨论的目的，我们真的无需担心这种“魔术”是如何发生的。我在这里唯一要提的事(给你考虑的空间)是—使用一种被称为部分再配置的威廉希尔官方网站 —FPGA的一部分可以发起对另一部分进行再配置(当然反过来也行)。对于具有微控制器和/或软件背景的读者来说，我们可以将这种威廉希尔官方网站想象为相当于自我修改代码的硬件。这意味着这种威廉希尔官方网站是非常非常强大的，但也会带来很难隔离和调试的问题。

通用的输入和输出
FPGA器件还包含有通用的输入/输出(GPIO)引脚和焊盘(图1中没有显示)。通过配置单元，FPGA器件内的互连部分可以被编程为这样：将器件的主输入连接到一个或多个可编程逻辑块的输入。任何逻辑块的输出也可以用来驱动任何其它逻辑块的输入和/或FPGA器件的主输出。另外，GPIO引脚可以被配置为支持种类广泛的I/O标准，包括电压、终端阻抗、摆率等。

世界上第一块FPGA与本文中讨论的架构非常类似。这块FPGA就是赛灵思公司在1985年推出的XC2064(是用2um工艺节点制造的)，它包含有8×8=64的逻辑块阵列，每个逻辑块包含一个四输入LUT和其它一些简单功能。从那以后，FPGA发展势不可挡，正像我们看到的那样……更为复杂的FPGA架构

正如我们在前面说的那样，赛灵思公司在1985年推出的第一块FPGA—XC2064包含8×8=64的逻辑块阵列，每个逻辑块包含一个四输入查找表及其它一些简单功能。由于它们的容量非常有限，因此早期的FPGA只用来执行一些相对简单的任务，比如集中一些胶合逻辑，或实现基本的状态机。然而随着时间的推移，事情开始改变……随着时间的推移和工艺节点的进步，FPGA的容量和性能不断得到提高，功耗却不断的下降。直到大约2006年以前广泛使用的一直是四输入查找表。事实上，在写这篇文章之时，较小的FPGA系列器件仍在使用四输入的查找表，但一些高端器件可能使用六、七或八输入的查找表。这些大家伙可能被用作一个大的查找表，或分裂成许多更小的功能，比如两个四输入的查找表或一个三输入一个五输入的查找表。在实际的高端器件中，这种可编程构造可以描述相当于百万级(有时甚至千万级)的原始逻辑门。

如果某个逻辑功能(比方说计数器)是用FPGA的可编程构造实现的，那么这个功能可以被说成“软功能”。相比之下，如果某个功能是直接用芯片实现的，则被说成“硬功能”。(随着这些功能变得越来越大越来越复杂，我们一般称它们为内核)。软内核的优势在于，你可以让它们做你想让它们做的任何事。硬内核的优势是它们占用较少的硅片面积，具有较高的性能，并且功耗较低。最优的解决方案是混合使用软内核(用可编程构造实现)和硬内核(直接用硅片实现)。这样，除了基于查找表的可编程构造外，今天的FPGA可以利用以下介绍的各种硬内核进行性能增强：

图3：更复杂的FPGA架构。

举例来说，该器件可能包含数千个加法器、乘法器和数字信号处理(DSP)功能；数兆位的片上内存，大量的高速串行互连(SERDES)收发器模块，以及众多的其它功能。

带嵌入式处理器的FPGA
这是真正让人兴奋的事情……你可以用FPGA中的普通可编程构造做的事情之一是，使用其中的一部分实现一个或多个软处理器内核。当然，你可以实现不同规模的处理器。举例来说，你可以创建一个或多个8位的处理器，加上一个或多个16位或32位的软处理器—所有处理器都在同一器件中。

如果FPGA供应商希望提供一个占用较少硅片面积、消耗较低功率但性能更高的处理器，解决方案是将它实现为硬内核。一个非常令人兴奋的开发成果是Altera和赛灵思等公司最近推出的SoC FPGA。考虑下面所示这个例子：

图4：一种新的SoC FPGA

这个漂亮的小东西整合了一个完全以硬内核方式实现的双路ARM Cortex-A9微控制器子系统(运行时钟高达1GHz，包含浮点引擎，片上缓存，计数器，定时器等)，以及种类广泛的硬内核接口功能(SPI,I2C,CAN等)，还有一个硬内核的动态内存控制器，所有这些组件都利用大量传统的可编程构造和大量的通用输入输出(GPIO)引脚进行了性能增强。(即将在16nm节点推出的一款SoC FPGA据称包含四内核的64位ARM Cortex-A53处理器，双内核32位ARM Cortex-R5实时处理器，以及一个ARM Mali-400MP图形处理器。这些可不是你祖母时候的FPGA哦！)传统的嵌入式系统架构师可能将其中一个器件放置在电路板上，并将它用作传统的高性能双内核ARM Cortex-A9微控制器。当电路板上电时，硬微控制器内核立即启动，并在任何可编程构造完成配置之前就可用了。这样可以节省时间和精力，并让软件开发人员和硬件设计师同时开始开发。

一种情形是软件开发人员捕获他们的代码，在SoC FPGA的Cortex-A9处理器上运行这些代码，然后通过分析识别任何可能严重影响性能并成为瓶颈的功能。这些功能随后可能就转交给硬件设计工程师用可编程构造来实现，它们(这些功能，不是设计工程师)将使用较低的时钟频率提供明显更高的性能，而且功耗更低。

前面我们说过，硬内核实现的功能(图4所示的ARM Cortex-A9就是一种硬内核)与等效的软内核相比具有更高的性能和更低的功耗。但现在我们又说如果在硬内核处理器上运行的软件功能是个瓶颈，我们可以用可编程构造来实现，这样它就能……你理解的没错，提供更高的性能和更低的功耗。

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