多年來，現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 和可編程邏輯一直是工程師的主要工作，但一些使用微控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)的工程師不一定意識到在其應(yīng)用中采用 FPGA 邏輯可為他們帶來的附加值。在這里，我們將討論一些應(yīng)用程序如何從 FPGA 的實(shí)時(shí)處理能力中受益，并探索幫助工程師開始將 FPGA 邏輯集成到他們的設(shè)計(jì)中的工具。

更適合 FPGA 的應(yīng)用

雖然工程師可以使用 MCU 和 FPGA 完成許多相同類型的事情，但許多應(yīng)用程序可以受益于更高的處理能力和速度、低延遲、更快的連接以及 FPGA 的能源效率等改進(jìn)性能。數(shù)字信號處理 (DSP)、加密貨幣、視頻處理和人工智能等應(yīng)用更適合 FPGA 而不是 MCU。

讓我們以SmartFusion2 片上系統(tǒng) (SoC)為例，研究將 FPGA 集成到設(shè)計(jì)中如何提高應(yīng)用程序性能。該器件在一個(gè)芯片上結(jié)合了 MCU 和 FPGA 功能。該芯片有一個(gè) 166MHz 的 Arm ? Cortex ? -M3 處理器和一個(gè)具有 6,000 到 146,000 個(gè)邏輯塊的閃存 FPGA。MCU 具有內(nèi)存保護(hù)單元 (MPU)、控制器局域網(wǎng) (CAN) 端口、千兆以太網(wǎng)、多達(dá) 16 個(gè)收發(fā)器通道和高速 USB。SoC 的功能列表包括硬接口控制器、數(shù)學(xué)模塊、DSP、安全啟動、AES256、SHA256、5Mbit SRAM 和 4Mbit eNVM。

無論您將其視為帶有 FPGA 的微控制器還是帶有微控制器的 FPGA，這種組合都是一個(gè)功能強(qiáng)大的芯片。FPGA 提供了大量應(yīng)用所需的處理能力，包括物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 傳感器數(shù)據(jù)分析、用于醫(yī)學(xué)圖像分析、交通和安全視頻圖像處理的 AI，以及工業(yè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)運(yùn)動控制。

FPGA 可以作為特定算法的定制硬件加速器。加速不僅會顯著提高速度，還會顯著降低功率。性能提升在很大程度上取決于算法，但至少一個(gè)數(shù)量級對于快速傅里葉變換 (FFT) 函數(shù)之類的東西來說并不罕見。

該 IC 的實(shí)用性得到極大擴(kuò)展，因?yàn)樗哂谐凸模?5G SERDES (PCIe Gen2) 端口僅耗電 70mW 就說明了這一點(diǎn)。該芯片的待機(jī)功耗低至 7mW。它有商業(yè)、工業(yè)、軍事和汽車版本，進(jìn)一步擴(kuò)展了它的用途。

開始集成 FPGA 邏輯的好方法

Microchip Technology 的 Hello FPGA 套件 ( M2S-HELLO-FPGA-KIT ) 具有 M2S010 SmartFusion2 SoC ( M2S010-1VF256 )，非常適合具有中低 FPGA 知識的人（圖 1）。它允許用戶使用較小的 SmartFusion2 FPGA 版本之一探索設(shè)計(jì)，但具有強(qiáng)大的功能和易用性。這些 FPGA 實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)的基于 4 輸入查找表 (LOT) 的架構(gòu)，并受益于低功耗閃存技術(shù)，使其成為業(yè)界最安全可靠的 FPGA。

圖 1：低成本緊湊型 Hello FPGA 套件包括一塊 FPGA 主板、一塊攝像頭傳感器板和一塊 LCD 板。（來源：貿(mào)澤電子）

連接后，只需下載并安裝示例 FPGA 設(shè)計(jì)即可開始操作。

需要考慮的應(yīng)用

工程師可以使用 Hello FPGA 套件研究幾乎任何功能，但可以輕松設(shè)置三個(gè)特定的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，以了解 SmartFusion2 和 Hello FPGA 必須提供的所有功能。Hello FPGA的三個(gè)具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)包括DSP、圖像處理與識別、AI。讓我們來探討一下 Hello FPGA 是如何支持這些應(yīng)用的。

數(shù)字信號處理 (DSP)：Microchip Technology Hello FPGA 的 DSP 演示（圖 2）提供了創(chuàng)建有限脈沖響應(yīng) (FIR) 和 FFT 濾波器設(shè)計(jì)的見解。GUI 顯示輸入、輸出和濾波器響應(yīng)的圖形。單擊 Autosweep，GUI 將自動掃描其中一個(gè)輸入信號頻率。

圖 2：Hello FPGA 套件的圖形用戶界面屏幕示例。這是一個(gè)用于 DSP 濾波器設(shè)計(jì)應(yīng)用程序的應(yīng)用程序。（來源：微芯科技）

圖像處理和識別：該套件的圖像處理應(yīng)用程序從 640 x 480 攝像機(jī)捕獲實(shí)時(shí)視頻，對其進(jìn)行格式化，并在 FPGA 運(yùn)行圖像處理的情況下將其顯示在 LCD 上。可以通過屏幕上的滑塊調(diào)整對比度、亮度和色彩平衡。

人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML)：人工智能 (AI) 和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 數(shù)字識別設(shè)計(jì)應(yīng)用程序使用相機(jī)檢測一張紙上的數(shù)字。FPGA 的 AI 算法然后決定它是哪個(gè)數(shù)字并將該答案顯示在 LCD 上。

為了協(xié)助調(diào)試并幫助確保最低功耗運(yùn)行，該套件的 GUI 支持實(shí)時(shí) FPGA 內(nèi)核功耗的測量和繪圖。它還利用處理器的增強(qiáng)型嵌入式跟蹤宏單元 (ETM) 進(jìn)行調(diào)試。

此處提供的 Microchip Hello FPGA 套件視頻提供了有關(guān)設(shè)置和使用該套件的更多信息。

更多的可能性

套件中包含的 SmartFusion2 SoC 具有 12,084 個(gè) FPGA 門。這個(gè)完全相同的芯片的其他六個(gè)版本（在更大的封裝中）有多達(dá) 146,000 個(gè)門，以及 240 個(gè)數(shù)學(xué)塊 vs. 22 和其他功能。該套件的 GUI 包括一個(gè)用戶友好的應(yīng)用程序，用于測試芯片和系統(tǒng)的特定功能，包括 Flash*Freeze 低功耗操作。它還具有用于靈活擴(kuò)展的 Arduino 和 Mikrobus 連接器。

結(jié)論

集成 FPGA 邏輯可以提高許多應(yīng)用程序的處理能力和速度、降低延遲、加快連接速度并提高性能。從 FPGA 邏輯中獲益最多的一些應(yīng)用包括 DSP、加密貨幣、視頻處理和 AI。任何尚未嘗試過 Hello FPGA 套件的工程師都應(yīng)該嘗試一下，即使只是為了更深入地了解 SmartFusion2 SoC 和 Hello FPGA 套件提供的 MCU 和閃存 FPGA 組合所提供的功能和靈活性。

Jim Harrison 是一名電子工程師，自 1989 年以來一直在工業(yè)自動化和科學(xué)儀器公司擔(dān)任高級設(shè)計(jì)工程職位。2004 年，他轉(zhuǎn)向?qū)懽鳎⒃?Hearst Business Media 電子產(chǎn)品雜志擔(dān)任高級編輯 14 年。他現(xiàn)在是 Lincoln Technology Communications 的顧問。

審核編輯黃宇