我是MCU的長期用戶和狂熱者，特別是對多功能低成本MCU上有著濃厚的興趣，這種MCU模塊能夠通過單芯片實現優秀的通信能力。我做過很多有意思的小玩意，包括：MP3播放器、鬧鐘、無線地面濕度控制系統、寵物活動監視器、低功耗藍牙姿態控制等。在這些小項目中，MCU實現信息的收集和傳輸，用起來十分方便。

最近，我接手一個項目，這個項目不僅要求我使用FPGA，而且還要求我使用功能更強大的ARM。這都是我從未接觸過的領域。在這個系列博客中，我將介紹我是如何將自己現有的MCU知識和經驗運用到FPGA中的。本文是系列博客的在第一篇，我將從FPGA的優點和缺點入手，并介紹Terasic DE10 Nano開發套件，以及IP核在FPGA設計中的作用。

關于FPGA

如果你開發的項目一直與MCU有關，你一定會發現MCU的學習曲線并不陡峭，所用的開發工具都可以輕易獲得，開發和調試的過程簡單，設計很容易上手。不過，你也會發現，MCU在處理復雜事務、運行速度和接口的多樣性上是很有限的。我個人所經歷的項目，由于功能既不復雜，也沒有重要的處理需求，因此，一直以來MCU是很理想的選擇。

FPGA是包含可編程邏輯元件（LE）的集成電路，其可編程單元已經內置在芯片中，功能十分靈活。

例如，他們可以通過編程作為加速器或RAM來提高系統性能，可以通過編程實現新的標準或算法，也可以根據需求添加各種通信接口，所有的這些都有助于降低系統成本并延長產品生命周期。但這種設計的缺點是學習曲線非常陡峭，對于MCU開發人員來說，在剛剛學習FPGA的時候，因IO端口和編碼方式的變化，學習起來還是很困難的。對于MCU來說，在同一時刻，只能實現一個或一組IO的翻轉，并且所有的IO只有一個電壓標準。而FPGA的IO是并行處理的，并且不同bank的IO可以遵循不同電壓標準。

幸運的是，我發現了Intel Cyclone V SoC DE10 Nano開發套件。英特爾Cyclone V SoC將FPGA與雙核ARM Cortex A9結合，允許使用多種方式配置FPGA，開發套件包含顯示和通信端口、按鈕和開關、引腳映射和快速配置工具、JTAG調試器以及來自Terasic和Intel的文檔說明和指南。

規劃FPGA開發

在規劃MCU開發的時候，我們首先確定需要哪些接口，如SPI，I2C，Wi-Fi等，然后根據MCU的電壓，引腳數量，提供的通信接口，支持的庫和價格作出MCU的選型。在使用FPGA的時候，所有的通信接口都是依靠編程來實現的，因此無需考慮通信接口的限制。其限制因素是邏輯單元的數量，因為所需要的端口，軟核或存儲器單元都是基于這些邏輯單元創建的。因此，需要做權衡的是，邏輯單元數目越大，FPGA的能力越強，其成本也越高。雖然FPGA通常具有較高的初始成本，但由于它們可以實現多個芯片組件的功能，并且還能夠節省大量板上空間，所以綜合來看其成本并不高。

我發現自己正處在一個關鍵時刻：我要如何確定我的設計需要多少邏輯單元？

答案是，這取決于對IP核的需求，IP核由協議、功能、代碼以及外部模塊執行的特定任務組成。幾乎所有的FPGA都是由邏輯單元LE，寄存器和I / O bank組成。具體來說：

邏輯單元LE是可編程的，是FPGA內部的門陣列，每一個邏輯單元都具有一定數量的查找表，觸發器和多路復用器。

寄存器是一組觸發器，能夠保存數據并實現諸如定時器等功能。

I / O bank是一組連接外部電路的輸入/輸出引腳。每個bank都有一個獨立的電壓標準，并且有電流大小的限制。

最初我并沒有意識到IP核的重要性，因為我還沒有領會到這樣一個事實：IP核實現了一種能夠代替物理設備的能力，這些設備包括MCU、通信控制器或者其他一些我會使用另一個芯片實現的東西。

如圖1所示，Cyclone V 包含FPGA層和HPS層，在DE10 Nano上FPGA層主要用作低延遲的I/O擴展。所有這一切體現了FPGA的另一個設計特點：它可以在單個芯片上實現多個PCB板上芯片的功能，從而，使得后續的設計更加靈活。

圖1：Terasic DE10 Nano Cyclone V FPGA和硬件處理器系統（HPS）的接口布局。（來源：Terasic）

大部分低級I / O端口通過FPGA進行控制和連接，這就降低了CPU等待低級別I/O端口的時間，同時也允許數據在傳遞到HPS之前進行相應的處理或調整。

這是一種多么完美的設計，Cyclone V FPGA的接口可擴展，而且能夠實現加速器的功能，這種設計架構提高了HPS層的處理能力。在這種情況下，正如圖2所示，HDMI接口是非HPS本地接口，因此用作HDMI的MCU資源并不多。

圖2：FPGA和HPS的接口布局（來源：Terasic）

HDMI的輸出在FPGA上運行，這降低CPU負載并添加了非本地接口；

存在一個OpenCV加速示例，這是為了體現兩種類型處理器結合的優勢；

Terasic已經實現了基本的通信功能范例，并且有一個預定義的引腳映射列表，該列表定義了電壓和電流限制。

總的來說，我很喜歡FPGA，并且對它的擴展和加速功能十分感興趣。不過，我也想知道他們到底有哪些局限性。他們能運行到高的頻率？他們可以支持哪些協議？他們會消耗多少LE？總的來說，IDE比我用過的其他軟件更簡單，并且包含了令人驚嘆的文檔。硬件似乎非常強大，現在我正在設計一個項目，這個項目能夠測試板上的硬件限制。