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我們生活在一個由模擬構成的世界中。不過，數字處理的出現，為我們體驗這個世界并與之互動帶來了全新的方式，包括衛星導航、自動駕駛汽車、增強現實，當然還有那永遠都離不了身的手機。 要想實時或者準實時地處理那么多信息，就必須要有強大的處理能力，這樣的處理能力顯然是受益于摩爾定律的。對于設計工程師而言，他們也可以從多種處理技術中來進行選擇，以便將最合適的技術運用到手邊的應用中。這些處理技術涵蓋了傳統處理器、圖形處理單元 (GPU) 和可編程邏輯 (PL)。 在上述處理技術中，可編程邏輯恐怕是最鮮為人知的一種，人們也往往認為它是用起來最具挑戰性的處理技術之一。 可編程邏輯的優勢 可編程邏輯能夠讓用戶在真正意義上并行實現其算法和應用， 從而創造出更具有確定性、響應更加迅速的解決方案， 因而適用于需要實時處理和響應的場景， 例如視覺和信號處理以及雷達等。 傳統意義上，可編程邏輯器件可分為復雜可編程邏輯器件 (CPLD) 與現場可編程門陣列 (FPGA) 兩種類別， 其中CPLD基于“門海”(sea-of-gate) 的方式提供由寄存器和邏輯函數構成的簡單器件結構。 至于FPGA，它提供的結構要比CPLD更加復雜，通常還會包含多種專用硬件元件，例如存儲塊、數字信號處理、時鐘管理、千兆串行收發器和IO塊。 FPGA的構成要素 FPGA的基本構成要素是查找表 (LUT)、寄存器和靈活IO單元結構， 其中LUT能夠實現邏輯方程式，而寄存器則為實現順序邏輯設計提供了必要的存儲元件。LUT和寄存器結合在一起，即可實現通常所說的“邏輯片”，其簡單示例如(圖1)所示。現代器件中的這些邏輯片包含諸多選項，以便實現組合邏輯電路或時序邏輯電路，這些選項包括本地分布式內存，以及可通過配置將LUT用作移位寄存器的功能。 
圖1: 簡單的LUT結構 在FPGA器件中，通常將兩個邏輯片組合在一起，形成可配置邏輯塊 (CLB)。這些CLB相互連接，以便通過路由和交換矩陣實現必要的功能，如(圖2)所示。
圖2 : 可通過交換矩陣配置路由塊和互連。 FPGA設計 FPGA通常使用硬件描述語言 (HDL) 設計，其中最常見的兩種是Verilog和VHDL。和傳統的軟件語言相比，這些語言需要在更加低級的層面上定義設計，它們具體描述的是寄存器級別上的傳輸，例如實現狀態機、計數器等。VHDL和Verilog都固有地支持并發的概念，這是對FPGA架構的并行架構進行建模所必需的。此外，通過高級綜合 (HLS) 使用C、C++或OpenCL等高級語言開發FPGA IP塊的做法也正變得越來越普遍。雖然這些語言并不支持并行，但工程師可以使用編譯器指令來指示并行結構， 而使用更高級的語言有助于工程師更快地完成開發和驗證。 FPGA器件的IO結構可以直接對接各種IO標準，包括LVCMOS等單端標準以及LVDS、TMDS等差分標準， 但這種IO結構的“技能”可遠不止于此—— 現代化的IO結構還可以實現片上端接、精細PS延遲，甚至SerDes結構。也就是說，FPGA有效地提供了各種對接接口，連接起了各種標準、定制或傳統接口。這種靈活性還使系統設計人員擺脫了引腳綁定的束縛，這與使用帶固定IO引腳分配的專用標準產品 (ASSP) 有著顯著區別。 因此，要設計出可編程邏輯設計解決方案，需要執行以下步驟： 合成 – 將HDL設計轉換為一系列邏輯方程，然后將其映射到目標FPGA中可用的資源上。 放置 – 把合成工具確定的邏輯資源放置到目標器件中的可用位置。 路由 – 使用路由和交換矩陣將設計中放置的邏輯資源互連，以實現最終應用。 位文件 – 生成目標FPGA的最終編程文件。 通過仿真，工程師可以確保他們實現的設計在功能上符合設計要求。他們可以創建激發RTL（寄存器傳輸級別）模塊的測試平臺，這些平臺可以提供輸入并監視結果輸出，然后通過查看仿真波形來驗證這些模塊的行為，如(圖3)所示。或者，他們也可以編寫更復雜的測試平臺，用來檢查和驗證輸出。
圖3: RTL仿真輸出 盡管FPGA在性能和接口上具有顯著優勢，但開發基于FPGA的解決方案可能會比開發傳統軟件更加復雜。不過，我們有現代化的設計工具，尤其是高級合成工具以及各種可以免費獲取的知識產權，并且現代化器件的功能也更加強大，這些都讓“FPGA更難開發”成為了歷史。 器件產品系列 如果您還不熟悉FPGA的歷史，這里就先簡單地介紹一下。FPGA是Ross Freeman和Bernard Vonderschmitt于1985年隨著XC2064的發布而發明的， 這款FPGA先驅產品具有64個可配置邏輯塊。今天，Xilinx的現代化器件可為用戶提供893.8萬個系統邏輯單元、3840個DSP元件、76Mb塊內存和90Mb的UltraRAM——這與最初的產品相比堪稱巨大飛躍。 當然，上面提到的器件是Xilinx現階段最大型的FPGA產品，對許多應用而言確實有點殺雞用牛刀了。為了幫助指導工程師選擇適合其應用的FPGA，Xilinx提供了一系列FPGA和片上系統器件，這些器件能夠支持多個不同系列的各種解決方案。 Xilinx圍繞28nm節點開發了一系列成本優化型產品，總共提供三個不同的器件系列，均針對不同的用戶需求進行了優化。 Spartan-7 FPGA – 該系列是廣受歡迎的Spartan-6系列器件的后繼產品，可為開發人員提供比舊技術45nm節點更高的性能和更低的功耗。Spartan-7還經過了I/O優化，在成本優化的FPGA產品組合中是一個引腳數量非常高的系列。 Artix-7 FPGA – 這是Xilinx 7產品線中的全新系列，針對收發器進行優化，具有6.6Gbps高速收發器。 Zynq-7000 SoC – 該系列在初次亮相時頗具革新意義，它為業界帶來了將硬核Arm Cortex-A9處理器與FPGA架構相結合的新型器件。這種新型器件可以提供集成系統解決方案，并且具有功耗更低、解決方案整體體積更小、EMI顯著降低等優勢。 該產品組合中的器件可以支持從傳感器融合到精確控制、圖像處理和云計算等一系列應用。 高端解決方案 對于超高性能和更專業的應用，Xilinx提供了28nm、20nm和16nm三個技術節點上的Kintex和Virtex系列。隨著UltraScale和UltraScale+系列器件的不斷發展，其性能和功能得到了顯著提高。 Kintex器件在三個技術節點上提供了不斷提升的性能、邏輯資源和收發器：從Kintex器件中的6.55萬個邏輯單元到Kintex UltraScale+器件中的11.43萬個邏輯單元。它們提供GTH和GTY千兆收發器，分別支持高達16.3Gbps和32.75Gbps的數據傳輸速率。 Virtex是Xilinx FPGA中性能最高的系列。這些器件不僅提供多達893.8萬個系統邏輯單元和58Gbps高速收發器，而且還支持高帶寬存儲器 (HBM)。該系列產品具有4GB至16GB的片上DRAM和高達460Gbps的帶寬，其內存性能是DDR4 DIMM的約20倍。Virtex HBM器件適用于為網絡和存儲加速的應用。 工具鏈 Xilinx開發工具支持從最小的Spartan-7到最大的Virtex UltraScale+的所有器件， 涵蓋了設計生命周期中的各個方面，從RTL捕獲直到仿真以及開發用于處理器核心的軟件。 Vivado設計套件 – Vivado可以對設計、RTL仿真以及合成、放置、路由和生成位文件的實施過程進行捕獲。 Vivado HLS – 高級合成工具，讓工程師能夠使用C或C++來開發IP。 Vitis一體化軟件平臺 – Vitis支持嵌入式處理器的軟件開發，以及使用OpenCL進行加速。 PetaLinux工具 – PetaLinux是用于嵌入式處理器的嵌入式Linux解決方案。 當然，您還可以選用其他各種商業和開源軟件工具，它們涵蓋了從合成到仿真的各個階段；此外，同時支持仿真和形式驗證的驗證工具正變得越來越多。 如果您希望進一步了解貿澤分銷的Xilinx產品，請訪問 文章來源：貿澤電子 作者簡介：Adam Taylor非常擅長為多種最終應用開發嵌入式系統和FPGA。在他的職業生涯中，Adam使用FPGA實現了多種多樣的解決方案，涵蓋雷達系統、安全關鍵型控制系統 (SIL4) 和衛星系統等領域，同時他對圖像處理和密碼學方面也有所涉獵。 Adam從事過多個經理職位，帶領過多家大型跨國公司實現長足發展。多年來，他在航天工業中扮演著重要角色。他曾擔任Astrium衛星有效負載處理組的設計主管達6年之久，此外還在一家空間影像公司擔任了三年的首席工程師，負責了多個影響深遠的項目。 FPGA是Adam最早接觸的領域。他撰寫過許多有關電子設計和FPGA設計的文章和論文，包括330多篇博客文章，并且通過2500多萬條評論闡釋了如何使用Xilinx的Zynq和Zynq MPSoC。 Adam是一位特許工程師。他是IET英國工程技術學會的會員、林肯大學和Arm Innovator項目的嵌入式系統客座教授，同時還是工程和咨詢公司Adiuvo Engineering and Training的所有者。 |
