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人见人爱的FPGA

FPGA为什么会成为电子设计江湖中一个人见人爱的存在？这其中的故事很值得说一说。

作为一种和ASIC专用集成电路、CPU等通用处理器同场竞技的计算架构，FPGA最大的特点是兼具灵活性和高性能。通俗地讲就是，FPGA可以让工程师通过编程的方式，去自由定义硬件功能，让同一颗FPGA芯片根据编程，变成你想要的“样子”，且可以随心所欲地变换，这确实是件很神奇的事儿。

不过，与这种随心所欲的灵活性相对应，FPGA的短板也很明显。和ASIC相比，FPGA的通用性令其不得不在性能上做折中，在大批量应用时，在成本和功耗方面也不占优势。而和更为“通用”的CPU相比，由于特殊的硬件编程语言、生态资源较少，开发难度大，因此应用范围也一直受限。所以在相当长的时间内，FPGA更多的是作为一种原型验证工具来使用，同时仅在一些特定的领域——比如高性能、高复杂性的逻辑接口——建立了稳固的根据地。所以，如何扩大自身的应用版图，也一直是FPGA心心念念的一个愿望。

随着市场需求的发展，特别是这些年人工智能（AI）应用的兴起，FPGA实现这个愿望的进程大大加速了。这很大程度上是因为FPGA独特的架构。

大家知道，AI应用由于数据处理工作量的剧增，对硬件的算力提出了更高的要求。单从计算性能上看，ASIC固然是首选，但是由于其研发成本高，且功能固化无法快速响应市场的变化，所以人们对选用ASIC十分谨慎。而CPU的工作是基于指令的，有时一个字节数据的处理也必须使用一组指令才能完成，在面对海量数据集时，这种运算效率让人无法接受。

而FPGA的应用可以让数据处理换一种“思路”。与CPU那种“将数据锁定在架构上，使用指令流对其处理”的方式不同，FPGA可以通过编程，将某种计算架构用硬件电路实现出来，可视为将“指令”锁定在硬件架构上，然后在上面运行数据流，这样就可以实现多数据的并行处理，提升算力。而且，由于FPGA的可编程性，特别适合开发者去探索AI领域不断出现的新算法，快速迭代进行系统调优。因此，无论是在云端还是网络边缘端，FPGA在AI时代都是一种不可或缺的计算架构。

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FPGA的进化

为了抓住这一历史性的机遇，这些年FPGA厂商从技术和产品上都做足了功课，其中最关键几个举措包括：

第一，依托半导体工艺的进步，FPGA不断提升集成度，降低成本和功耗，缩小与ASIC的竞争差距。可以说，FPGA是从摩尔定律中得益最多的半导体器件之一。

第二，与此同时，FPGA凭借架构创新，也在摆脱对摩尔定律的依赖，一个重要的标志就是SoC FPGA异构平台的出现。所谓SoC FPGA，就是通过在单一器件中集成包括可编程逻辑单元、通用处理器（如ARM架构），以及其他专业的加速协处理器和功能模块，构建一个异构计算平台，这样就可以为特定的计算任务安排最合适的计算资源，以实现效率最大化，同时也能保持足够的灵活性，让FPGA架构得以渗透到越来越广泛的嵌入式应用中。

第三，为了进一步拉低开发者入门的门槛， 电子元器件采购网 推出配套的开发工具套件，提供全面的工具链支持，也成为FPGA厂商另一个维度“软”实力的竞争。

所以，当今天开发者面对着进化到如此高度的FPGA时，都会由衷地感叹“真香”。

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Hello FPGA！

当然，虽然看上去“很香”，但是想要真正入口，还是需要下一番力气的，毕竟与其他大家熟悉的嵌入式开发架构相比，FPGA还是一个新课题，有许多知识的盲点需要去填补。

在开始学习FPGA的时候，诸多考虑因素中有一个很重要的环节，就是要找一个得心应手的入门级开发工具包，因为电子设计作为一个实践性的工作，必须借助这种开发工具落在实处，通过跑例程DEMO体验完整的开发流程，这样才可以举一反三，真正吃透一款器件。

目前市面上可供开发者选择的入门级FPGA工具不少，但以下几个关键要素是一款“好”工具所必不可少的：

基于最具代表性、主流的FPGA器件，能让开发者紧跟技术趋势不落伍；

提供完整的配套软硬件资源，覆盖完整的开发流程；

具有可扩展性，让开发者有发挥的空间。

比如来自于Microchip的Hello FPGA开发套件，就是具备上述关键要素、值得拥有的一款入门级FPGA开发平台。

图1：Hello FPGA开发套件（图源：Microchip）

该套件的硬件架构包括FPGA主板、相机传感模块和LCD板三部分，其中最核心的当然是FPGA主板。而作为FPGA板核心的是SmartFusion2 SoC FPGA（型号为M2S010）。顾名思义，这是Microchip推出的一个异构计算平台，其中集成了Microchip第四代基于闪存的FPGA架构（FPGA Fabric）、主频166MHz的ARM Cortex-M3处理器系统（MSS），以及高性能通信接口，能够满足典型的FPGA应用场景开发所需。

图2：SmartFusion2 SoC FPGA系统框图（图源：Microchip）

虽然与大家耳熟能详的Xilinx和Intel（原Altera）的FPGA器件相比，SmartFusion2 SoC FPGA曝光度不算高，但其却是一款特点十分鲜明的器件，这可以用三个关键词来归纳：可靠、安全、低功耗。

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可靠

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安全

SmartFusion2提供了先进的设计和数据安全能力，内置AES-256和SHA-256加密处理加速器以及其他安全机制，确保应用中的安全性。

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低功耗

SmartFusion2在低功耗方面的表现也很突出，设计人员可以通过简单的命令来启用Flash Freeze超低功耗模式，该模式下功耗仅为2mW，在相同的条件下静态功率是竞争对手的1/100，整体功耗在最坏工作条件下可降低35%至50%。

除了SoC FPGA，Hello FPGA开发套件主板上的其他板载资源中，还有一个Microchip PIC32 MCU，用于SmartFusion2 SoC FPGA编程、监控电源等功能。此外，主板上还包括Arduino和Mikrobus连接器，用来外接更多的扩展板卡，提高原型设计的灵活性，满足更多的设计要求。

图3：Hello FPGA开发套件FPGA主板资源（图源：Microchip）

为了让开发者充分体验到这种扩展性，Hello FPGA开发套件配套提供了两个扩展板卡：相机传感器板和LCD板，形成一个包括图像采集、数据处理、人机界面HMI在内的完整的资源包，所以与普通的评估/开发板相比，Hello FPGA可以为开发者提供更为完整的平台资源，完成图像处理、信号处理和人工智能等方案演示，帮助开发者直观地认识FPGA的强大功力。

图4：Hello FPGA开发套件配套提供相机传感器（右）和LCD（左）两个扩展板（图源：Microchip）

最后值得一提的是，除了上述的Hello FPGA硬件资源，Microchip还为开发者提供了一个免费的Libero SoC软件开发套件，支持FPGA可编程逻辑部分的开发，其中除了强大的FPGA开发工具外，还集成了丰富的第三方工具（如Synopsys公司的Synplify Pro综合工具和Mentor Graphics公司的ModelSim仿真工具）。而对于SoC FPGA中ARM处理器系统的开发，开发者可以使用SoftConsole或者嵌入式开发者所熟悉的Keil MDK工具实现。

图5：Hello FPGA软件开发环境（图源：Microchip）

由此可见，通过Hello FPGA这样一款硬件开发套件，以及配套的免费软件工具集，FPGA的初学者可以很方便地搭建起一个入门级的开发平台，拥有一块FPGA世界的敲门砖。想在硬件开发江湖上扬名立万，从此踏上FPGA工程师高薪之路，这真的是一个不错的起点！

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