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行設計的工程師不一定意識到在其應用中采用 FPGA 邏輯可為他們帶來的附加值。在這里，我們將討論一些應用程序如何從 FPGA 的實時處理能力中受益，并探索幫助工程師開始將 FPGA 邏輯集成到他們的設計中的工具。

更適合 FPGA 的應用

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 集成到設計中如何提高應用程序性能。該器件在一個芯片上結(jié)合了 MCU 和 FPGA 功能。該芯片有一個 166MHz 的 Arm ? Cortex ? -M3 處理器和一個具有 6,000 到 146,000 個邏輯塊的閃存 FPGA。MCU 具有內(nèi)存保護單元 (MPU)、控制器局域網(wǎng) (CAN) 端口、千兆以太網(wǎng)、多達 16 個收發(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，這種組合都是一個功能強大的芯片。FPGA 提供了大量應用所需的處理能力，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)實時運動控制。

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 的實用性得到極大擴展，因為它具有超低功耗，其 5G SERDES (PCIe Gen2) 端口僅耗電 70mW 就說明了這一點。該芯片的待機功耗低至 7mW。它有商業(yè)、工業(yè)、軍事和汽車版本，進一步擴展了它的用途。

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 版本之一探索設計，但具有強大的功能和易用性。這些 FPGA 實現(xiàn)了標準的基于 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 設計即可開始操作。

需要考慮的應用

工程師可以使用 Hello FPGA 套件研究幾乎任何功能，但可以輕松設置三個特定的設計實現(xiàn)，以了解 SmartFusion2 和 Hello FPGA 必須提供的所有功能。Hello FPGA的三個具體設計實現(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 (FIR) 和 FFT 濾波器設計的見解。GUI 顯示輸入、輸出和濾波器響應的圖形。單擊 Autosweep，GUI 將自動掃描其中一個輸入信號頻率。

圖 2：Hello FPGA 套件的圖形用戶界面屏幕示例。這是一個用于 DSP 濾波器設計應用程序的應用程序。（來源：微芯科技）

圖像處理和識別：該套件的圖像處理應用程序從 640 x 480 攝像機捕獲實時視頻，對其進行格式化，并在 FPGA 運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) 和機器學習 (ML)：人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 數(shù)字識別設計應用程序使用相機檢測一張紙上的數(shù)字。FPGA 的 AI 算法然后決定它是哪個數(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行，該套件的 GUI 支持實時 FPGA 內(nèi)核功耗的測量和繪圖。它還利用處理器的增強型嵌入式跟蹤宏單元 (ETM) 進行調(diào)試。

此處提供的 Microchip Hello FPGA 套件視頻提供了有關(guān)設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 FPGA 門。這個完全相同的芯片的其他六個版本（在更大的封裝中）有多達 146,000 個門，以及 240 個數(shù)學塊 vs. 22 和其他功能。該套件的 GUI 包括一個用戶友好的應用程序，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展的 Arduino 和 Mikrobus 連接器。

結(jié)論

集成 FPGA 邏輯可以提高許多應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)自動化和科學儀器公司擔任高級設計工程職位。2004 年，他轉(zhuǎn)向?qū)懽鳎⒃?Hearst Business Media 電子產(chǎn)品雜志擔任高級編輯 14 年。他現(xiàn)在是 Lincoln Technology Communications 的顧問。

審核編輯黃宇