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      FPGA的新嘗試:將它Arduino化?——Vidor4000評測

      FPGA   Arduino   英特爾   altera   開發板   
      • 作者:SATURN
      • 來源:21ic
      • [導讀]
      • 用的是Altera的Cyclone10 LP系列的FPGA,是一款對標Lattice的低端產品。所以Arduino也并沒有在里面構建什么計算核心,主要是通信接口等IP。

      FPGA是Field Programmable Gate Arrays的縮寫,即現場可編程門陣列。可以創建定制硬件,從而消除與廠商相關的成本。不幸的是,大多數芯片設計的復雜性仍然存在,這就是為什么大多數人更喜歡使用現成的芯片,往往接受他們的限制,而不是采取挑戰,以獲得他們需要的硬件優化,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新推出的一款開發板,試圖將FPGA隱藏在相對簡單的Arduino中,期望能消除這一障礙!

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

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      大部分組件增位于開發板正面,開發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150 MHz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。開發板上主要的器件分布及名稱如下

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      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系列開發板上才提供。不過考慮到開發板上有一塊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的區別。FPGA和微處理器之間的根本區別在于,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,FPGA可以配置(并重新配置)為幾乎任何數字電路。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)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來進行執行。

      到目前為止,我們對于使用Arduino來開發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開發環境,按照官方的文檔,我們需要安裝幾個支持庫。

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      第一個是Arduino MKR Vidro4000硬件平臺支持。

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      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,配置開發板類型及商品如下

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      配置完成后,按Ctrl+U上傳代碼到Vidor4000開發板,可以看到如下的內容顯示

       

      codeing.jpg

       

      代碼上傳成功后,看到開發板上的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代碼來實現相關的功能。Arduino對SADM21編程,SAMD21則通過JTAG接口向FPAG發出指令。如下

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

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      大致了解了Vidor4000的工作原理后,我們來看一段代碼,

       

      code.jpg

       

      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!

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