為軟件工程師揭開 FPGA 的神秘面紗

隨著產(chǎn)品設(shè)計(jì)復(fù)雜性的增加，需要使用集成組件（如ASSP）來滿足設(shè)計(jì)上的要求。幾年前，工程師會(huì)針對(duì)處理器、存儲(chǔ)器和外設(shè)選擇單獨(dú)的組件，然后通過分立邏輯器件將這些元素拼合到一起。后來，他們會(huì)搜索ASSP處理系統(tǒng)目錄，試圖找出最相稱的組合，以滿足系統(tǒng)要求。當(dāng)他們需要其他邏輯或外設(shè)時(shí)，通常會(huì)將某個(gè)FPGA與某個(gè)ASSP配對(duì)來完成解決方案。的確，調(diào)查表明FPGA在目前全部嵌入式系統(tǒng)中的使用比例占50%70%。

在過去的幾年中，FPGA的尺寸有了增加，在單個(gè)器件中提供了足夠的空間來容納完整的處理器和邏輯系統(tǒng)。現(xiàn)在，軟件工程師需要為FPGA內(nèi)部的處理器開發(fā)和調(diào)試代碼。在有些情況下，他們害怕這么做。不過，通過掌握FPGA基礎(chǔ)知識(shí)并了解如何創(chuàng)建和調(diào)試用于FPGA嵌入式處理器的代碼可以讓他們坦然面對(duì)。

FPGA是什么？
現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(field-programmable gate array，F(xiàn)PGA)是一種集成電路，其中包含的邏輯可以在制造后進(jìn)行配置和連接（即“現(xiàn)場(chǎng)模式”）。在這方面，過去工程師會(huì)從產(chǎn)品目錄中購買各種邏輯器件，然后通過印刷電路板上的連接將它們組裝成一個(gè)邏輯設(shè)計(jì)，而現(xiàn)在的硬件設(shè)計(jì)人員可以在單個(gè)器件中實(shí)施完整的設(shè)計(jì)。形式最簡(jiǎn)單的FGPA中包括：

● 由與、或、非及其他許多邏輯函數(shù)組成的可配置邏輯塊

● 使邏輯塊可以連接到一起的可配置互連功能

● I/O接口

利用這些元素，用戶可以創(chuàng)建任意邏輯設(shè)計(jì)。
硬件工程師通常用HDL（一般是Verilog或VHDL）編寫代碼，然后將設(shè)計(jì)匯編到一個(gè)對(duì)象文件中，該文件可加載到器件中供執(zhí)行。在表面上，HDL程序可能看起來很像C語言之類的高級(jí)語言。

FPGA的技術(shù)優(yōu)勢(shì)
由于不使用ASIC以及沒有與其關(guān)聯(lián)的高額模板費(fèi)用，F(xiàn)PGA是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理元素最靈活且高性價(jià)比的方法。FPGA由于采用了靈活的架構(gòu)，能夠允許硬件設(shè)計(jì)人員實(shí)現(xiàn)同時(shí)包含并行和串行元素的處理系統(tǒng)。這樣一來，設(shè)計(jì)人員可以針對(duì)性能和延遲對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。通常，與使用通用處理器可獲得的性能相比，這些數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)獲得的性能級(jí)別更高，但成本卻更低。

您可以將外部微處理器耦合到FPGA中的某個(gè)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)上，然后用它進(jìn)行控制。但是，在FPGA中嵌入一個(gè)處理器可以提供幾項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。一個(gè)內(nèi)部處理器可以極大地減少處理器與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間的延遲，能夠消除大量處理器周期。處理器與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間的通信信道可以是32位或更高，擁有更多的尋址和控制線纜。對(duì)于一個(gè)外部處理器，這些增加的線纜可能需要更大的封裝來容納處理器和FPGA，從而抬高了系統(tǒng)成本?；蛘?，也可以使用PCI Express(PCIe)來減少引腳的數(shù)量。而不幸的是，由于這是相對(duì)較新的接口，并非所有處理器和FPGA都支持PCIe。雖然PCIe具有與生俱來的高性能，但它是串行接口，因此會(huì)增加處理器與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)之間的延遲。

在FPGA中同時(shí)實(shí)現(xiàn)處理器與數(shù)據(jù)處理元素可以減少元件數(shù)量，縮小電路板空間，有時(shí)還能降低功耗。這可能產(chǎn)生一個(gè)成本顯著降低的解決方案。FPGA中可提供固化的處理器實(shí)現(xiàn)（如ARM Cortex-A9處理器）或軟核實(shí)現(xiàn)（如Xilinx MicroBlaze處理器）。基于FPGA的處理器還可根據(jù)應(yīng)用的要求進(jìn)行配置?；贔PGA的系統(tǒng)支持系統(tǒng)級(jí)的調(diào)優(yōu)：它可以靈活地選擇將計(jì)算功能在處理器或FPGA邏輯中實(shí)現(xiàn)。

實(shí)現(xiàn)技術(shù)
FPGA嵌入式處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方法有很多種，但一般可將其分成三類：從頭組裝系統(tǒng)，使用向?qū)⑵浣M合到一起，或者通過修改現(xiàn)有設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。

FPGA工具可支持您從頭組裝一個(gè)處理系統(tǒng)，方法是：從列表中選擇一個(gè)必需的IP，然后通過總線和線纜連接該IP。這樣的組裝雖然有效，但可能會(huì)耗費(fèi)時(shí)間。

為了加快速度，F(xiàn)PGA工具還允許通過向?qū)Э焖俳M裝微處理器系統(tǒng)。通過使用下拉列表或復(fù)選框，可以輕松指定目標(biāo)部件以及所需的處理器和外設(shè)。圖1展示了向?qū)?dòng)的介紹窗口以及向?qū)傻淖罱K系統(tǒng)。類似地，也可以使用 MATLAB?軟件之類的工具，快速地將數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與用于控制的處理器總線接口組裝起來。然后，只需匹配總線接口，就可將處理器與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)連接起來。

嵌入式處理系統(tǒng)的第三種實(shí)現(xiàn)方法是修改現(xiàn)有的參考設(shè)計(jì)，或?qū)⑵涮砑拥浆F(xiàn)有的硬處理器系統(tǒng)上。FPGA參考設(shè)計(jì)和硬處理器系統(tǒng)會(huì)繼續(xù)演變，其中許多會(huì)變得更加側(cè)重于市場(chǎng)。在許多情況下，設(shè)計(jì)均非常全面，無須硬件設(shè)計(jì)人員增加任何額外的組件。軟件設(shè)計(jì)人員通常會(huì)找到完整的驅(qū)動(dòng)程序，以及為這些參考設(shè)計(jì)預(yù)置的操作系統(tǒng)。

前面提及的前兩種方法都是創(chuàng)建處理器系統(tǒng)的有效方法。但是，第三種方法從現(xiàn)有的經(jīng)過驗(yàn)證的參考設(shè)計(jì)入手，因此可以極大地減少硬件和軟件工程師的開發(fā)時(shí)間。

澄清誤解
在工程設(shè)計(jì)界已經(jīng)出現(xiàn)了一些有關(guān)在FPGA中開發(fā)處理器代碼很困難的誤解。我們希望能澄清這些誤解。
誤解：在FPGA中為處理器編寫代碼很困難。

事實(shí)：大多數(shù)FPGA嵌入式處理開發(fā)都是在現(xiàn)代化軟件開發(fā)環(huán)境中用C或C++完成的。

許多FPGA供應(yīng)商現(xiàn)在都支持使用Eclipse進(jìn)行軟件開發(fā)。Eclipse是一種支持插件的靈活軟件開發(fā)環(huán)境，提供文本編輯器、編譯器、鏈接程序、調(diào)試器、跟蹤模塊和代碼管理等功能。

作為一個(gè)開放的環(huán)境，Eclipse擁有一個(gè)龐大的開發(fā)人員社區(qū)，不斷地增加新功能。例如，如果程序員不喜歡提供的編輯器，他們可以安裝一個(gè)更符合其需求的編輯器。

誤解：FPGA沒有像ASSP那樣的處理器系統(tǒng)。

事實(shí)：現(xiàn)在已經(jīng)有預(yù)置的FPGA軟嵌入式處理器設(shè)計(jì)，也有具備像ASSP那樣的外設(shè)集的硬處理器設(shè)計(jì)。

包含軟處理器和硬處理器的FPGA增加了一個(gè)額外的功能。FPGA嵌入式軟處理器參考設(shè)計(jì)整合了32位RISC處理器、內(nèi)存接口以及符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)。此類處理器的靈活特性允許用戶用邏輯換取額外的性能功能，如增加支持最新操作系統(tǒng)的MMU。眾多的FPGA選擇使用戶可以選擇某個(gè)處理器配置、外設(shè)、數(shù)據(jù)處理邏輯和邏輯性能級(jí)別來滿足其系統(tǒng)要求。預(yù)置的類似于ASSP的參考設(shè)計(jì)使得軟件設(shè)計(jì)人員可以立刻開始編寫代碼，不一定需要硬件工程師先實(shí)現(xiàn)一個(gè)處理器系統(tǒng)。在許多情況下，預(yù)置的設(shè)計(jì)會(huì)滿足嵌入式處理器系統(tǒng)的要求，從而無須硬件工程師來進(jìn)行進(jìn)一步的處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在少數(shù)情況下，硬件工程師擁有一個(gè)出色的平臺(tái)，可以在上面增加外設(shè)以及連接定制的硬件加速器。

誤解：使用FPGA中的處理器調(diào)試代碼很困難。

事實(shí)：FPGA嵌入式處理器的軟件調(diào)試跟非嵌入式處理器的調(diào)試一樣方便。調(diào)試器支持下載代碼、運(yùn)行程序、在源代碼和對(duì)象代碼級(jí)別單步執(zhí)行、設(shè)置斷點(diǎn)、檢查存儲(chǔ)器和寄存器。另外，還有其他工具可用于對(duì)代碼進(jìn)行特性分析和跟蹤。

誤解：不支持我喜愛的操作系統(tǒng)。

事實(shí)：大多數(shù)常見的嵌入式處理器都支持最常見的操作系統(tǒng)，并且這個(gè)名單還在不斷增加中。Xilinx MicroBlaze支持Linux、ThreadX、MicroC/OS-II和eCos等操作系統(tǒng)。

誤解：沒有驅(qū)動(dòng)程序。

事實(shí)：FPGA嵌入式處理器有一個(gè)很大的外設(shè)庫，其中包含了驅(qū)動(dòng)程序。表1是一個(gè)有代表性的名單，其中列出了FPGA軟處理器可用的一些軟外設(shè)。所有這些設(shè)備都存在相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。

誤解：硬件工程師必須先建立它之后我才能編寫代碼。

事實(shí)：可以使用經(jīng)過測(cè)試的預(yù)置處理器系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因此可以立即進(jìn)行軟件開發(fā)。

這些預(yù)置的類似ASSP的處理器系統(tǒng)中包含處理器、內(nèi)存控制器和內(nèi)存、閃存控制器以及UART、GPIO和以太網(wǎng)接口等外設(shè)。這些系統(tǒng)在交付時(shí)都帶有參考軟件設(shè)計(jì)實(shí)例，其中包括對(duì)Linux引導(dǎo)的展示。

誤解：無法使用FPGA嵌入式處理器進(jìn)行特性分析或跟蹤。

事實(shí)：特性分析和跟蹤工具也是可以使用的。開發(fā)人員可以通過特性分析了解處理器在各個(gè)函數(shù)上所用的時(shí)間，以及對(duì)任何指定函數(shù)的調(diào)用次數(shù)。

誤解：FPGA軟件開發(fā)工具價(jià)格太貴了。

事實(shí)：ASSP和FPGA供應(yīng)商為其嵌入式軟件開發(fā)功能提供的定價(jià)在200美元到500美元之間。此外，許多供應(yīng)商還提供試用版本以及免費(fèi)或功能受限的版本，另外還有打折的評(píng)估套件。

創(chuàng)建和調(diào)試代碼
FPGA嵌入式處理器系統(tǒng)的軟件開發(fā)流程遵循一些常規(guī)步驟：

● 創(chuàng)建軟件開發(fā)工作區(qū)并導(dǎo)入硬件平臺(tái)。

● 創(chuàng)建軟件項(xiàng)目和板支持包。

● 創(chuàng)建軟件。

● 運(yùn)行并調(diào)試軟件項(xiàng)目。

可選步驟：對(duì)軟件項(xiàng)目進(jìn)行特性分析。

步驟3、4和5是大多數(shù)開發(fā)人員都熟悉的。有些開發(fā)人員可能不熟悉步驟1和2，但這些步驟都很明確。我們將采用Eclipse開發(fā)環(huán)境作為例子，更具體地了解每個(gè)步驟。

創(chuàng)建工作區(qū)并導(dǎo)入硬件平臺(tái)
啟動(dòng)Eclipse以后，系統(tǒng)會(huì)提示用戶要使用的工作區(qū)。工作區(qū)就是一個(gè)目錄路徑，用于存儲(chǔ)項(xiàng)目文件。接著，用戶指定硬件平臺(tái)（設(shè)計(jì)）。硬件開發(fā)工具會(huì)自動(dòng)生成此文件。該文件對(duì)處理器系統(tǒng)進(jìn)行描述，其中包括存儲(chǔ)器接口和外設(shè)以及存儲(chǔ)器映射。該文件是硬件開發(fā)工具的輸出內(nèi)容，硬件工程師通常會(huì)向軟件開發(fā)人員提供此文件。指定以后，就會(huì)導(dǎo)入硬件平臺(tái)，此步驟也宣告完成。

創(chuàng)建軟件項(xiàng)目和板級(jí)支持包
板級(jí)支持包 (board support package，BSP)包含供軟件應(yīng)用使用的庫和驅(qū)動(dòng)程序。軟件項(xiàng)目是軟件應(yīng)用源和設(shè)置。

在針對(duì)Xilinx項(xiàng)目定制的Eclipse版本中，可以選擇“File（文件）”→“New（新建）”→“Xilinx C Project（Xilinx C項(xiàng)目）”。對(duì)于Xilinx C項(xiàng)目，Eclipse會(huì)自動(dòng)創(chuàng)建Makefiles，將源文件編譯成對(duì)象文件，并將這些對(duì)象文件鏈接到一個(gè)可執(zhí)行文件中。在此步驟中，用戶可以定義“Project Name（項(xiàng)目名稱）”，通過提供在步驟1中創(chuàng)建的硬件平臺(tái)名稱將其與硬件平臺(tái)關(guān)聯(lián)，然后指定項(xiàng)目名稱。

接下來，系統(tǒng)會(huì)確認(rèn)BSP的生成情況，并根據(jù)定義的硬件平臺(tái)和操作系統(tǒng)自動(dòng)加載適用的驅(qū)動(dòng)程序。隨后會(huì)編譯這些驅(qū)動(dòng)程序，生成BSP。

創(chuàng)建軟件
此時(shí)可以導(dǎo)入軟件實(shí)例，或者從頭創(chuàng)建代碼。保存代碼時(shí)，Eclipse會(huì)自動(dòng)編譯并鏈接代碼，并報(bào)告任何出現(xiàn)的編譯器或鏈接程序錯(cuò)誤。

運(yùn)行并調(diào)試軟件項(xiàng)目
使用FPGA時(shí)，在執(zhí)行代碼之前必須完成一個(gè)步驟：為FPGA編程。在Eclipse中，只需選擇“Tools（工具）”→“Program FPGA（FPGA編程）”。此步驟將獲取硬件工程師已創(chuàng)建的硬件設(shè)計(jì)，并將其下載到FPGA上。該作業(yè)完成后，就可以選擇要構(gòu)建的軟件類型了。“Debug（調(diào)試）”會(huì)禁用代碼優(yōu)化并插入調(diào)試符號(hào)，而“Release（發(fā)布）”則會(huì)啟用代碼優(yōu)化。若要進(jìn)行特性分析，可使用-pg編譯選項(xiàng)。

最后，通過選擇“Run（運(yùn)行）”并定義運(yùn)行配置的類型和編譯器選項(xiàng)，可以運(yùn)行代碼。如果選擇了“Release（發(fā)布）”，則處理器將立即開始執(zhí)行代碼。否則，處理器將執(zhí)行一些引導(dǎo)指令，并將在源代碼的第一行處停止，Eclipse中將出現(xiàn)調(diào)試視圖。

調(diào)試視圖會(huì)顯示源代碼或?qū)ο蟠a、寄存器、存儲(chǔ)器和變量?？梢栽谠创a或?qū)ο蟠a級(jí)別單步執(zhí)行代碼，并可以設(shè)置代碼執(zhí)行的斷點(diǎn)。

對(duì)軟件項(xiàng)目進(jìn)行特性分析
如果您需要，可以在此時(shí)對(duì)代碼進(jìn)行特性分析，查看函數(shù)調(diào)用的次數(shù)，并可查看用在任何指定函數(shù)上的時(shí)間百分比。圖3展示了包含特性分析器結(jié)果的Eclipse特性分析視圖實(shí)例。

FPGA的優(yōu)勢(shì)
在成本、能耗、尺寸和整體系統(tǒng)效率方面，F(xiàn)PGA嵌入式處理器正在成為主要的設(shè)計(jì)選擇。好消息是，軟件工程師不需要將FPGA嵌入式處理器看得很神秘，或者不再比外部處理器更難以編程。

FPGA供應(yīng)商提供的是符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的開發(fā)環(huán)境（如Eclipse），成本上有競(jìng)爭(zhēng)力，并針對(duì)FPGA嵌入式處理進(jìn)行了定制。在這些環(huán)境中，用戶可以創(chuàng)建、編譯、鏈接和下載代碼，并可像其以前對(duì)待外部處理器一樣，以相同的方式調(diào)試其設(shè)計(jì)。借助預(yù)置的處理器參考設(shè)計(jì)，軟件工程師可以立即開始編寫代碼并進(jìn)行測(cè)試，不一定需要硬件工程師提供最終設(shè)計(jì)。最后，F(xiàn)PGA嵌入式處理器擁有豐富的IP庫、驅(qū)動(dòng)程序和操作系統(tǒng)支持。