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        我们要学好FPGA必须掌握以下知识

        2020年04月10日 15:59 ? 次阅读

        今天在群里有工程师问我,怎么才叫学会了FPGA,怎么才叫学好了FPGA?我相信有很多朋友有类似的问题,因为在多数人的潜意识里,FPGA是非常高深莫测的技术,能够玩转FPGA的都是大神级的人物。

        其实呢,这是一种误解,你可以把FPGA当做是数字世界的乐高(Lego),它由几种最基本的单元(每种单元数量有很多很多)让你组成自己想实现的功能。能玩好乐高就一定能玩好FPGA。乐高玩得好不好,取决于什么因素?

        通过一些最基本的积木块可以拼出任何复杂的物体

        第一要素 - 先要了解供你玩的“乐高”套装里都有哪些单元?每个单元都有哪些特性?不同单元之间是如何拼接的?没有这些全局的信息和知识在你的脑子里,你要从几千个piece里面去组装一辆车、构建一个城堡,将是非常困难甚至不可能的。

        第二要素 - 要有正确的思维方式。你至少要知道搭建一辆车需要四个轮子、一个方向盘、一个发动机,这些部件之间如何通过其它的单元有机组合在一起,彼此之间如何搭配。不知道车子需要轮子,不知道轮子要装在底盘上是无法组装出一辆车来的,即便有再多的单元也没有用。

        学习使用FPGA的道理跟玩乐高没啥区别,同样是:

        了解FPGA是什么?玩乐高的人不用操心什么是乐高,这个知识是由玩乐高的人的父母掌握了,并帮他选好型了;

        要充分了解FPGA内部都有什么功能单元(逻辑单元、存储器、时钟产生、可编程IO等) ,这些单元都有什么用?用起来都有哪些要注意的地方,各个单元之间如何配合?尤其是针对你要用的具体型号,你要知道你用的这个型号的器件内部的各种功能单元具体有多少数量,够不够你项目使用的;

        数字逻辑的设计思想 - 针对任意一项具体的功能,如何组合你器件内的单元来实现,需要哪些单元?如何连接这些单元?各个单元之间连接的先后顺序如何?这就需要比较扎实的数字电路/数字系统设计的基础知识以及逻辑思维能力。

        当然你也需要一些工具来帮助你实现,比如一套从头到尾执行的设计环境(FPGA厂商提供的编译工具 - Lattice的Diamond、IntelQuartus、Xilinx的Vivado),一种连接你的逻辑思维和机器操作之间的沟通工具 - 设计语言(原理图、Verilog、VHDL等等)。

        下面我们以小脚丫FPGA为例,看看我们要学好FPGA必须掌握哪些知识。

        首先FPGA是什么?

        四个字母Field(现。 Programmable(可编程) Gate(逻辑门) Array(阵列)凸显了大量的逻辑门单元,这些逻辑单元是可以在任何地方随时进行组装的,这是不是跟乐高玩具一样?逻辑门单元是构成一切数字逻辑器件的基本单元,在数字世界里你想做任何事情、实现任何功能,都可以通过逻辑门的堆砌来实现,也就是说FPGA在数字领域里几乎无所不能,因此n年前我国的某一个FPGA公司在向国务院领导描述其产品的时候称他们做的是“万能芯片”(用这种通俗易懂的说法忽悠国家的经费)。万能有些夸张,但FPGA高度灵活,理论上来讲,只要有足够的资源(积木数量足够多)几乎可以实现数字域的任何功能,受限的是速度、功耗以及系统的成本。

        我们要学好FPGA必须掌握以下知识

        FPGA里面有什么?

        我们以基于Lattice的FPGA的小脚丫看一下该FPGA内部都有哪些资源以及相应资源的数量,如下是该器件LCMXO2-4000HC-4MG132C内部的功能框图:

        我们要学好FPGA必须掌握以下知识

        该器件的具体资源参数如下:

        4320个LUT资源 - 每个LUT(查找表)有4个输入,16种状态,并一个寄存器,这就像乐高里的积木块,用来实现各种逻辑功能,至于4320是多还是少?这个要看你做的项目需要的逻辑资源,对于FPGA的初学者来讲4000多个LUT已经足够多,实现很多没听说过的功能都已经绰绰有余了;

        92Kbit RAM - 这是在逻辑之外的成块状的存储器,可以灵活配置成各种位宽、各种读写模式的存储功能,比如FIFO、双口RAM等;

        96Kbit用户闪存 - 这是LatTIce 的一个创新,后来Altera/Intel也学着做了MAX10,就是将配置FPGA的存储器从外面的PROM变成了集成在FPGA内部的Flash,可以反复编程,从此FPGA不再外挂一个累赘了,用起来就像PLD一样方便;

        嵌入式功能块(硬核):一路SPI、一路定时器、2路I2C,这可是MCU除了ALU、总线之外最基本的功能模块,都硬化到该FPGA内部了,也就意味着如果你想用这个FPGA做一个MCU玩玩,可以直接将这些已经硬化的功能块通过总线挂在处理器上,没必要再写这些功能,并且占用逻辑资源了;

        2+2路PLL+DLL - 我们前面讲过外部常用的时钟产生器(比如晶振)产生的频率不高,但FPGA内部可以工作到很高的速度,因此现在几乎所有FPGA器件都有内置的PLL将外部的低频率的时钟整到很高频率,比如小脚丫的外部时钟为12MHz,内部PLL可以将它倍频到400MHz,非常快吧?

        支持DDR/DDR2/LPDDR存储器 - 这是说该器件能够直接挂这些存储器,适配它们的电平和时序;

        104个可热插拔I/O - 每个I/O管脚可以单独编程为输入、输出、上拉或下拉、并可以设置器输出阻抗,以便支持不同的接口协议,就像城市连接外部的道路可进可出、有的铺沥青、有的是土路;

        内核电压2.5-3.3V,供电电压的范围比较宽;

        132脚BGA封装,引脚间距0.5mm,芯片尺寸8mm x 8mm;

        看下面就是这个器件做成的板子的图片,中间那个黑黑的就是FPGA芯片。

        我们要学好FPGA必须掌握以下知识

        FPGA能做什么?

        知道了FPGA内部的资源,也就心里有数它能做什么了。就像一座城堡,内部居民的生活丰富多彩,无论他们以何种形式进行组合,他们所做的事情取决于这些居民以及他们拥有的资源,其生活模式被城堡的设计者所定义(城市管理、文化等等等)。

        但从宏观上来看这个城堡起到的功能很大程度上取决于这个城堡同外部世界的连接,没有这些同系统的连接,城堡内部的任何行为对于系统来讲都没有意义。FPGA可以是系统的一个重要组成部分,但它仅仅是一个部分而已,就像一个城堡一样,它只有同外部进行连接并执行系统通过这些连接给其分配的功能才有意义。

        因此FPGA通过其I/O管脚连接外面的世界,我们使用的小脚丫芯片有132个管脚,除去电源、地之外还有104个管脚可以用来同外界进行联系。

        我们要学好FPGA必须掌握以下知识

        做为一款让FPGA初学者学习的平台,首先要满足初学者基于掌握的数字电路知识进行做项目的定位,先要体验组合逻辑、时序逻辑、状态转换等数字电路的基础概念,而体验这些概念就需要一些必要的输入(按键、开关)和必要的输出(通过单色LED灯、三色灯、数码管进行各种方式的显示),综合考虑板子的尺寸以及初学者随时随地能练习的要求,我们经过取舍后选定了如下的板上功能及连接:

        我们要学好FPGA必须掌握以下知识

        板载资源:

        两位7段数码管 - 可以以状态、数值的变化来显示内部逻辑运行的信息;

        两个RGB三色LED - 可以以LED的亮度、颜色灯的变化显示内部逻辑运行的信息;

        8路用户LED - 可以通过组合来形象地显示内部逻辑运行的信息;

        4路拨码开关 - 做为状态的输入;

        4路按键 - 做为外部条件变换的输入;

        我们要学好FPGA必须掌握以下知识

        当然作为一个灵活的学习模块,我们还要给用户留下一定的灵活扩展的空间,让用户以各种方式来连接其计划连接的其它器件,在这个模块的周边我们留出了36个信号管脚(4个电源、地除外)给用户,用户可以灵活配置、应用这些管脚,让自己的系统充分利用这些管脚让FPGA内部的逻辑资源执行分配的任务。

        我们要学好FPGA必须掌握以下知识

        小脚丫FPGA模块在兼顾初学者学习功能的前提下,同时留给工程师更多扩展的灵活性,小脚丫团队也开发了一些扩展的模块,并通过独特的适配板连接世界上开源硬件最强大的两个生态系统的扩展卡 - Arduino、树莓派,小脚丫FPGA的使用者可以充分利用这些生态系统里现有的扩展模块进行FPGA逻辑设计就可以了。

        两款小脚丫FPGA选用的FPGA器件 - LatTIce的LCMXO2-4000和Intel的MAX10M08内部资源都足够大,至少在你学好了FPGA编程之前,都能够完美展现你的逻辑智慧。

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        莱迪思宣布进入网络边缘计算市场的AI领域 发挥F...

        NVIDIA能比FPGA速度更快的处理所有与AI...

        13日报导,NVIDIA Corporation虽凭借通用GPU(GPGPU)登上人工智能(AI)芯...

        发表于 2020-04-10 17:20 ? 371次阅读
        NVIDIA能比FPGA速度更快的处理所有与AI...

        浪潮发布集成HBM2的FPGA AI加速卡F37...

        美国当地时间11月14日,在达拉斯举行的全球超算大会SC18上,浪潮发布集成HBM2高速缓存的FPG...

        发表于 2020-04-10 17:15 ? 279次阅读
        浪潮发布集成HBM2的FPGA AI加速卡F37...

        Xilinx 16nm UltraScale+系...

        赛灵思率先发布业界首款16nm产品,Xilinx 16nm UltraScale +系列产品(FPG...

        发表于 2020-04-10 06:49 ? 229次阅读
        Xilinx 16nm UltraScale+系...

        Beyond 100G标准的灵活性和可扩展性

        演示说明了新兴的Beyond 100G(B100G)标准的灵活性和可扩展性,以及现有100G标准的支...

        发表于 2020-04-10 06:43 ? 197次阅读
        Beyond 100G标准的灵活性和可扩展性

        Avnet Spartan-6 FPGA DSP...

        Xilinx Spartan-6 FPGA DSP套件支持所有主流DSP设计输入方法,加速有经验用户...

        发表于 2020-04-10 06:40 ? 257次阅读
        Avnet Spartan-6 FPGA DSP...

        利用UltraScale+ FPGA加速DSP的...

        负责在当今复杂的DSP应用中提供更多功能和性能的设计人员越来越多地转向其硬件解决方案的可编程逻辑。

        发表于 2020-04-10 06:34 ? 291次阅读
        利用UltraScale+ FPGA加速DSP的...

        Xilinx Virtex-6 FPGA的PCI...

        Virtex?-6 FPGA内置支持PCIExpress?Gen2兼容接口。 本视频介绍了在ML6...

        发表于 2020-04-10 06:30 ? 217次阅读
        Xilinx Virtex-6 FPGA的PCI...

        用于开发高性能信号处理应用的Kintex-7 F...

        与Avnet Electronics Marketing共同开发的带有高速模拟的Kintex-7 F...

        发表于 2020-04-10 06:29 ? 278次阅读
        用于开发高性能信号处理应用的Kintex-7 F...

        Spartan-6 FPGA工业以太网套件的优点...

        使用与Avnet联合开发的Spartan-6 FPGA工业以太网套件加速您的下一代工厂自动化设计。 ...

        发表于 2020-04-10 06:28 ? 368次阅读
        Spartan-6 FPGA工业以太网套件的优点...

        Virtex-7 2000T GTX收发器实现高...

        通过Virtex-7 2000T FPGA中的GTX收发器实现高速串行性能。

        发表于 2020-04-10 06:27 ? 283次阅读
        Virtex-7 2000T GTX收发器实现高...

        基于Zynq-7045的全新Mercury ZX...

        经过认证的赛灵思联盟成员Enclustra宣布推出基于Zynq-7045的全新Mercury ZX1...

        发表于 2020-04-10 06:26 ? 251次阅读
        基于Zynq-7045的全新Mercury ZX...

        Xilinx 7系列模拟混合信号评估平台演示

        嵌入式世界2012的Xilinx 7系列模拟混合信号评估平台演示

        发表于 2020-04-10 06:24 ? 245次阅读
        Xilinx 7系列模拟混合信号评估平台演示

        Xilinx Virtex UltraScale...

        该视频显示了世界上最大,最快的HBM启动FPGA在芯片启动的第一天内无错运行。

        发表于 2020-04-10 06:22 ? 275次阅读
        Xilinx Virtex UltraScale...

        基于Xilinx全可编程FPGA的AWS F1实...

        采用基于Xilinx全可编程FPGA的AWS F1实例,Edico Genome可帮助更广泛的用户群...

        发表于 2020-04-10 06:19 ? 291次阅读
        基于Xilinx全可编程FPGA的AWS F1实...

        Spartan-6 FPGA HDL编码技术的特...

        了解如何对寄存器资源进行编码,以便您的设计具有更少的控制集并以更高的系统速度运行,避免最常见的编码错...

        发表于 2020-04-10 06:11 ? 259次阅读
        Spartan-6 FPGA HDL编码技术的特...

        Spartan-6 FPGA中的DCM功能介绍

        了解如何描述Spartan-6 FPGA中的全局和I / O时钟网络,描述时钟缓冲器及其与I / O...

        发表于 2020-04-10 06:10 ? 283次阅读
        Spartan-6 FPGA中的DCM功能介绍

        XDF 2018:如何降低FPGA的成本

        reconfigure.io的Rob Taylor在法兰克福的XDF 2018云轨道中展示了一个用例...

        发表于 2020-04-10 06:08 ? 246次阅读
        XDF 2018:如何降低FPGA的成本

        NGCodec H.265/HEVC视频压缩技术...

        NGCodec开发下一代视频压缩技术,专为超低延时,高质量应用而优化使用Xilinx FPGA,NG...

        发表于 2020-04-10 06:06 ? 345次阅读
        NGCodec H.265/HEVC视频压缩技术...

        Virtex-7 H580T FPGA的演示

        Virtex-7 H580T是全球首款全可编程异构3D FPGA,具有最高速度的低抖动28Gbps收...

        发表于 2020-04-10 05:55 ? 374次阅读
        Virtex-7 H580T FPGA的演示

        如何在UltraScale+设计中使用Ultra...

        了解如何在UltraScale +设计中包含新的UltraRAM模块。 该视频演示了如何在Ultr...

        发表于 2020-04-10 05:50 ? 316次阅读
        如何在UltraScale+设计中使用Ultra...

        TMP411 ±1°C Programmable...

        TMP411设备是一个带有内置本地温度传感器的远程温度传感器监视器。远程温度传感器,二极管连接的晶体管通常是低成本,NPN或PNP型晶体管或二极管,是微控制器,微处理器或FPGA的组成部分。 远程精度为±1 °C适用于多个设备制造商,无需校准。双线串行接口接受SMBus写字节,读字节,发送字节和接收字节命令,以设置报警阈值和读取温度数据。 TMP411器件中包含的功能包括:串联电阻取消,可编程非理想因子,可编程分辨率,可编程阈值限制,用户定义的偏移寄存器,用于最大精度,最小和最大温度监视器,宽远程温度测量范围(高达150°C),二极管故障检测和温度警报功能。 TMP411器件采用VSSOP-8和SOIC-8封装。 特性 ±1°C远程二极管传感器 ±1°C本地温度传感器 可编程非理想因素 串联电阻取消 警报功能 系统校准的偏移寄存器 与ADT7461和ADM1032兼容的引脚和寄存器 可编程分辨率:9至12位 可编程阈值限...

        发表于 2020-04-10 16:35 ? 8次阅读
        TMP411 ±1°C Programmable...

        TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远...

        TMP468器件是一款使用双线制SMBus或I 2 C兼容接口的多区域高精度低功耗温度传感器。除了本地温度外,还可以同时监控多达八个连接远程二极管的温度区域。聚合系统中的温度测量可通过缩小;て荡嵘阅,并且可以降低电路板复杂程度。典型用例为监测服务器和电信设备等复杂系统中不同处理器(如MCU,GPU和FPGA)的温度。该器件将诸如串联电阻抵消,可编程非理想性因子,可编程偏移和可编程温度限值等高级特性完美结合,提供了一套精度和抗扰度更高且稳健耐用的温度监控解决方案。 八个远程通道(以及本地通道)均可独立编程,设定两个在测量位置的相应温度超出对应值时触发的阈值。此外,还可通过可编程迟滞设置避免阈值持续切换。 TMP468器件可提供高测量精度(0.75°C)和测量分辨率(0.0 625°C)。该器件还支持低电压轨(1.7V至3.6V)和通用双线制接口,采用高空间利用率的小型封装(3mm×3mm或1.6mm×1.6mm),可在计算系统中轻松集成。远程结支持-55°C至+ 150°C的温度范围。 特性 8通道远程二极管温度传感器精度:±0.75&...

        发表于 2020-04-10 16:05 ? 8次阅读
        TMP468 具有引脚可编程的总线地址的高精度远...