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    广东11选5人工计划盘古: [其它] FPGA的新尝试:将它Arduino化?——Vidor4000评测

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     楼主 | 2018-12-21 12:41 | 只看该作者 |退出气泡模式 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
    FPGA的新尝试:将它Arduino化?——Vidor4000评测

    FPGA是Field Programmable Gate Arrays的缩写,即现场可编程门阵列??梢源唇ǘㄖ朴布?,从而消除与厂商相关的成本。不幸的是,大多数芯片设计的复杂性仍然存在,这就是为什么大多数人更喜欢使用现成的芯片,往往接受他们的限制,而不是采取挑战,以获得他们需要的硬件优化,高效的设计。

    然而FPGA入门并不简单,抽象的HDL语言,即便对于编程已经入门了的用户来说,其代码仍然如天书一样晦涩难懂,更不用说精通了。Vidor4000是Arduino新推出的一款开发板,试图将FPGA隐藏在相对简单的Arduino中,期望能消除这一障碍!

    Vidor4000采用的新版MKR形式提供给用户,开发板上包含一颗Cyclone 10 10CL016 FPGA ,另外还包括一颗来自Microchip Technology 的SAMD21低功耗芯片,基于Arm Cortex-M0+。

    大部分组件增位于开发板正面,开发板的反面丝印列出了MKR兼容引脚。

    Vidor中使用的Intel Cyclone 10CL016 FPGA具有16,000个逻辑单元,504 KB的嵌入式RAM,以及用于DSP操作的硬件乘法器。引脚可以高达150 MHz的速度运行(有时称为150兆翻转)。这个特殊部分非常适合音频和视频处理??迳现饕钠骷植技懊迫缦?/font>

    在很小的尺寸上,Vidor4000提供了MicroHDMI、MIPI Camera及MiniPIC Express等接口,这些接口一般只在一些高档的Cortex A系列开发板上才提供。不过考虑到开发板上有一块FPGA芯片,这些配置也就合情合理了。Vidor4000的主要特性如下:

    ? 8 MB SRAM

    ? 2 MB QSPI闪存芯片 - 为用户应用程序分配1 MB

    ? Micro HDMI连接器

    ? MIPI相机连接器

    ? Wi-Fi和BLE由U-BLOX NINA W10系列设备供电

    ? 所有引脚均由SAMD21(32位ARM CPU)和FPGA驱动的MKR接口

    ? Mini PCI Express连接器,最多25个用户可编程引脚

    ? FPGA(Intel/Altera Cyclone 10CL016)包含16K逻辑单元,504 KB嵌入式RAM和56个18×18位HW乘法器

    在正式体验之前,我们有必要了解一下FPGA与MCU的区别。FPGA和微处理器之间的根本区别在于,在微处理器中,内部硬件如I2C、SPI等是早已设计好的,产品出厂后不会再发生变化。内部晶体管具有特定的目的和特定的连接,虽然通常存在多路复用器和内部开关以使芯片更易于配置。但是,它仍然是固定功能电路。另一方面,FPGA可以配置(并重新配置)为几乎任何数字电路。实际应用上,一般在FPGA设计中嵌入微处理器内核。

    硬件特性决定了功能设计(程序开发)最本质的差异。对于MCU,我们通过寄存器或者配套的SDK来进行功能设计,代码经编译后使用下载器如JTAG等上载到设备上。对于FPGA来说,现在的主流设计方法是使用HDL来描述硬件功能,HDL的最终结果是Bitstream,供FPGA来进行执行。

    到目前为止,我们对于使用Arduino来开发FPGA仍是一片空白!也许代码会让我们会有更深入的了解。

    接下准备Arduino开发环境,按照官方的文档,我们需要安装几个支持库。

    第一个是Arduino MKR Vidro4000硬件平台支持。

    这几个软件库也是需要的,其中第一个主要用于图形相关的支持,第二个是FPGA外设相关的库,最后一个则是WiFi相关的软件库。

    启动Arduino IDE,打开Blink程序,配置开发板类型及商品如下

    配置完成后,按Ctrl+U上传代码到Vidor4000开发板,可以看到如下的内容显示



    代码上传成功后,看到开发板上的LED开始闪烁。

    是不是咱已经开始使用FPGA来点灯了?答案是否!现在的代码和FPGA半毛钱的关系都没有。这一段代码只是用SAM21来点了个灯。

    按照一般的方法,要使用FPGA,得先设计HDL代码,然后再编译成Bitstream。不过Arduino将这些繁琐的过程全部放进了软件库内,通过相关的C代码来实现相关的功能。Arduino对SADM21编程,SAMD21则通过JTAG接口向FPAG发出指令。如下

    这是SAMD21的JTAG接口,和下图的FPAG的JTAG接口连接以实现通信

    大致了解了Vidor4000的工作原理后,我们来看一段代码,



    SAMD21和FPGA的一些端口实际上是连接在一起的。如编号为33的FPGA端口,就和SAM21引出的A0接口连接到一起,这一段代码使用FPGA来输出信号,而使用SAMD21来读取信号,可以看作是二者的协作吧。

    使用C代码来控制FPGA的操作被封装在类FPAG中,初始化FPGA的方法调用为

    FPGA.begin()

    其它的一些操控FPGA的方法例如FPAG.pinMode()方法调用可以参考前面一段代码。

    看上去很美好!

    但是中间牵涉的细节太多!举例来说,最基本的GPIO操作,官方给出的文档还不完备,还没有一个完整的列表,用户如果需要使用这些功能,只能通过查看原理图来查看;另外内部IP核的封装,依赖官方给出的IP核,而完善这些功能,对于不熟悉FPGA的用户来说,仍然是一个大问题!

    官方给出的库支持中,目前GPIO、I2C、SPI等都在支持之列。另外像WiFi、HDMI及Camera等操作都给出了参考Demo,但是支持的设备有限,例如MIPI Camera只支持Omnivision OV5647 。

    对于熟悉FPGA编程的用户,官方也给出了一个Git仓库,提供了Arduino Vidor系列产品兼容的FPGA IP???,面向已熟悉FPGA开发过程的用户。地址为https://github.com/vidor-libraries/VidorFPGA。

    不管怎么说,至少FPGA的Arduino已走出了一步,在官方和社区的共同努力下,我们有理由相信,未来的FPGA,必定不会仅仅是阳春白雪,曲高而和寡!

    Arduino再次向世界证明:没有Arduino干不了的事!



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    评论

    dirtwillfly 2018-12-23 16:13 回复TA
    感谢分享 
    沙发
     楼主 | 2018-12-21 12:52 | 只看该作者
    C10 LP,对标lattice的低端产品,看ARDUINO写好的IP也都只是一些简单的通讯接口
    板凳
    | 2019-4-3 16:05 | 只看该作者
     这密度,得几层板才行? 用来做并发多任务应该很适合
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