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(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(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 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 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(dá) 146,000 個門，以及 240 個數(shù)學(xué)塊 vs. 22 和其他功能。該套件的 GUI 包括一個用戶友好的應(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