全面解析FPGA基礎(chǔ)知識(shí)

FPGA (Field Programmable Gate Array)即現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列。它是在PLA、PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路(ASIC)領(lǐng)域中的一種半定制電路，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

1、 FPGA簡(jiǎn)介

FPGA普遍用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路模塊，用戶可對(duì)FPGA內(nèi)部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實(shí)現(xiàn)用戶的需求。它還具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改?？梢院敛豢鋸埖闹v，F(xiàn)PGA能完成任何數(shù)字器件的功能，下至簡(jiǎn)單的74電路，上至高性能CPU，都可以用FPGA來實(shí)現(xiàn)。FPGA如同一張白紙或是一堆積木，工程師可以通過傳統(tǒng)的原理圖輸入法，或是硬件描述語言自由的設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)字系統(tǒng)。

2、FPGA發(fā)展史

FPGA的發(fā)展歷史如下圖所示。相對(duì)于PROM、PAL/GAL、CPLD而言，F(xiàn)PGA規(guī)模更大性能更高。

圖1 FPGA發(fā)展史

FPGA芯片主流生產(chǎn)廠家包括Xilinx、Altera、Lattice、Microsemi，其中前兩家的市場(chǎng)份額合計(jì)達(dá)到88%。目前FPGA主流廠商全部為美國廠商。國產(chǎn)FPGA由于研發(fā)起步較美國晚至少20年，目前還處于成長(zhǎng)期，僅限于低端，在通信市場(chǎng)還沒有成熟應(yīng)用。

2015年12月，Intel公司斥資167億美元收購了Altera公司。Altera被收購后不久即制定了英特爾處理器與FPGA集成的產(chǎn)品路線圖。這兩種產(chǎn)品集成的好處是可以提供創(chuàng)新的異構(gòu)多核架構(gòu)，適應(yīng)例如人工智能等新市場(chǎng)的需求，同時(shí)能大幅縮減功耗。

圖2 FPGA在電信領(lǐng)域的應(yīng)用歷史

FPGA在航天、軍工、電信領(lǐng)域有非常成熟和廣泛的應(yīng)用。以電信領(lǐng)域?yàn)槔陔娦旁O(shè)備一體機(jī)階段，F(xiàn)PGA由于其編程的靈活性以及高性能被應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議解析以及接口轉(zhuǎn)換。

在NFV(NetworkFunction Virtualization階段，F(xiàn)PGA基于通用服務(wù)器和Hypervisor實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元數(shù)據(jù)面5倍的性能提升，同時(shí)能夠被通用Openstack框架管理編排。

在云時(shí)代，F(xiàn)PGA已經(jīng)被作為基本IaaS資源在公有云提供開發(fā)服務(wù)和加速服務(wù)，AWS、華為、BAT均有類似通用服務(wù)提供。

截至目前，Intel的Stratix 10器件已被成功應(yīng)用于微軟實(shí)時(shí)人工智能云平臺(tái)Brainwave項(xiàng)目。

3、兩家主流FPGA公司發(fā)展近況

Xilinx聚焦芯片領(lǐng)先和豐富的加速解決方案，通過開放策略獲得主流云平臺(tái)支持，確立了其在數(shù)據(jù)中心的領(lǐng)先地位。其UltraScale+系列FPGA領(lǐng)先友商1年多，使其在云平臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)中占領(lǐng)先機(jī)，其VU9P器件被大量應(yīng)用于包括AWS、Baidu、Ali、Tencent及華為在內(nèi)的多家公司的云計(jì)算平臺(tái)。

為滿足加速器領(lǐng)域?qū)PGA芯片日益遞增的性能需求，Xilinx已發(fā)布面向數(shù)據(jù)中心的下一代ACAP芯片架構(gòu)、推出7nm Everest器件。此器件已不屬于傳統(tǒng)的FPGA，它集成了ARM、DSP、Math Engine處理器陣列等內(nèi)核，將于2019年量產(chǎn)。相較于VU9P，Everest支持的AI處理性能將能提升20倍。

Intel則提供從硬件到平臺(tái)到應(yīng)用的全棧解決方案，不開放硬件和平臺(tái)設(shè)計(jì)以避免生態(tài)碎片化，投入巨大但進(jìn)展緩慢。

圖3 Xilinx產(chǎn)品系列圖

圖4 Intel(以Stratix系列為例)產(chǎn)品工藝年代[!--empirenews.page--]

FPGA在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器市場(chǎng)的實(shí)際應(yīng)用中存在一定技術(shù)難點(diǎn)，具體包括如下幾方面：

1、編程門檻較高：硬件描述語言不同于軟件開發(fā)語言，需要開發(fā)者對(duì)底層硬件有著較深刻的認(rèn)識(shí);因此人才也就成為限制FPGA應(yīng)用的一個(gè)重要因素。據(jù)了解，目前國內(nèi)從事FPGA開發(fā)的人員初步估計(jì)大約兩萬多人。

2、集成難度較大：FPGA開發(fā)與應(yīng)用需要軟硬件的協(xié)同，包括使用高級(jí)語言的系統(tǒng)建模、硬件代碼(電路)設(shè)計(jì)、硬件代碼仿真、底層驅(qū)動(dòng)軟件與硬件邏輯的聯(lián)調(diào)等等。

3、開發(fā)周期相對(duì)軟件要長(zhǎng)：硬件開發(fā)比軟件開發(fā)過程復(fù)雜，調(diào)試周期也被拉長(zhǎng)。

4、很難獲取獨(dú)立邏輯IP。

4、FPGA整體結(jié)構(gòu)

FPGA架構(gòu)主要包括可配置邏輯塊CLB(Configurable Logic Block)、輸入輸出塊IOB(Input Output Block)、內(nèi)部連線(Interconnect)和其它內(nèi)嵌單元四個(gè)部分。

CLB是FPGA的基本邏輯單元。實(shí)際數(shù)量和特性會(huì)依器件的不同而改變，但是每個(gè)CLB都包含一個(gè)由4或6個(gè)輸入、若干選擇電路(多路復(fù)用器等)和觸發(fā)器組成的可配置開關(guān)矩陣。開關(guān)矩陣具有高度的靈活性，經(jīng)配置可以處理組合型邏輯、移位寄存器或 RAM。

FPGA可支持許多種I/O標(biāo)準(zhǔn)，因而可以為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理想的接口橋接。FPGA 內(nèi)的I/O按bank分組，每個(gè)bank能獨(dú)立支持不同的I/O標(biāo)準(zhǔn)。目前最先進(jìn)的FPGA提供了十多個(gè)I/O bank，能夠提供靈活的I/O支持。

CLB 提供了邏輯性能，靈活的互連布線則負(fù)責(zé)在CLB和I/O之間傳遞信號(hào)。布線有幾種類型，從設(shè)計(jì)用于專門實(shí)現(xiàn) CLB 互連(短線資源)、到器件內(nèi)的高速水平和垂直長(zhǎng)線(長(zhǎng)線資源)、再到時(shí)鐘與其它全局信號(hào)的全局低skew布線(全局性專用布線資源)。一般，各廠家設(shè)計(jì)軟件會(huì)將互連布線任務(wù)隱藏起來，用戶根本看不到，從而大幅降低了設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

內(nèi)嵌硬核單元包括RAM、DSP、DCM(數(shù)字時(shí)鐘管理模塊)及其它特定接口硬核等，F(xiàn)PGA器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下示意圖。

圖5 FPGA器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

一般來說，器件型號(hào)數(shù)字越大，表示器件能提供的邏輯資源規(guī)模越大。在FPGA器件選型時(shí)，用戶需要對(duì)照此表格，根據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)邏輯資源(CLB)、內(nèi)部BlockRAM、接口(高速Serdes對(duì)數(shù))、數(shù)字信號(hào)處理(DSP硬核數(shù))以及今后擴(kuò)展等多方面的需求，綜合考慮項(xiàng)目最合適的邏輯器件。

5、FPGA開發(fā)流程

FPGA的設(shè)計(jì)流程就是利用EDA開發(fā)軟件和編程工具對(duì)FPGA芯片進(jìn)行開發(fā)的過程。FPGA的開發(fā)流程一般如下圖所示，包括功能定義/器件選型、設(shè)計(jì)輸入、功能仿真、邏輯綜合、布局布線與實(shí)現(xiàn)、編程調(diào)試等主要步驟。

1、功能定義/器件選型：在FPGA設(shè)計(jì)項(xiàng)目開始之前，必須有系統(tǒng)功能的定義和模塊的劃分，另外就是要根據(jù)任務(wù)要求，如系統(tǒng)的功能和復(fù)雜度，對(duì)工作速度和器件本身的資源、成本、以及連線的可布性等方面進(jìn)行權(quán)衡，選擇合適的設(shè)計(jì)方案和合適的器件類型。

2、 設(shè)計(jì)輸入：設(shè)計(jì)輸入指使用硬件描述語言將所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)或電路用代碼表述出來。最常用的硬件描述語言是Verilog HDL。

3、 功能仿真：功能仿真指在邏輯綜合之前對(duì)用戶所設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行邏輯功能驗(yàn)證。仿真前，需要搭建好測(cè)試平臺(tái)并準(zhǔn)備好測(cè)試激勵(lì)，仿真結(jié)果將會(huì)生成報(bào)告文件和輸出信號(hào)波形，從中便可以觀察各個(gè)節(jié)點(diǎn)信號(hào)的變化。如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，則返回設(shè)計(jì)修改邏輯設(shè)計(jì)。常用仿真工具有Model Tech公司的ModelSim、Sysnopsys公司的VCS等軟件。

4、 邏輯綜合：所謂綜合就是將較高級(jí)抽象層次的描述轉(zhuǎn)化成較低層次的描述。綜合優(yōu)化根據(jù)目標(biāo)與要求優(yōu)化所生成的邏輯連接，使層次設(shè)計(jì)平面化，供FPGA布局布線軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。就目前的層次來看，綜合優(yōu)化是指將設(shè)計(jì)輸入編譯成由與門、或門、非門、RAM、觸發(fā)器等基本邏輯單元組成的邏輯連接網(wǎng)表，而并非真實(shí)的門級(jí)電路。

真實(shí)具體的門級(jí)電路需要利用FPGA制造商的布局布線功能，根據(jù)綜合后生成的標(biāo)準(zhǔn)門級(jí)結(jié)構(gòu)網(wǎng)表來產(chǎn)生。為了能轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的門級(jí)結(jié)構(gòu)網(wǎng)表，HDL程序的編寫必須符合特定綜合器所要求的風(fēng)格。常用的綜合工具有Synplicity公司的Synplify/Synplify Pro軟件以及各個(gè)FPGA廠家自己推出的綜合開發(fā)工具。

5、布局布線與實(shí)現(xiàn)：布局布線可理解為利用實(shí)現(xiàn)工具把邏輯映射到目標(biāo)器件結(jié)構(gòu)的資源中，決定邏輯的最佳布局，選擇邏輯與輸入輸出功能鏈接的布線通道進(jìn)行連線，并產(chǎn)生相應(yīng)文件(如配置文件與相關(guān)報(bào)告);實(shí)現(xiàn)是將綜合生成的邏輯網(wǎng)表配置到具體的FPGA芯片上。由于只有FPGA芯片生產(chǎn)商對(duì)芯片結(jié)構(gòu)最為了解，所以布局布線必須選擇芯片開發(fā)商提供的工具。

6、編程調(diào)試：設(shè)計(jì)的最后一步就是編程調(diào)試。芯片編程是指產(chǎn)生使用的數(shù)據(jù)文件(位數(shù)據(jù)流文件，Bitstream Generaon)，將編程數(shù)據(jù)加載到FPGA芯片中;之后便可進(jìn)行上板測(cè)試。最后將FPGA文件(如.bit文件)從電腦下載到單板上的FPGA芯片中。

6、如何使用FPGA

FPGA開發(fā)完畢，最終得到驗(yàn)證好的加載文件。輸出加載文件后，即可開始正常業(yè)務(wù)處理和驗(yàn)證(以軟件加載方式為例，描述整個(gè)過程)

1、邏輯加載;

2、單板軟件加載邏輯后，需要復(fù)位邏輯;

3、復(fù)位完成后，軟件需等待等待一段時(shí)間至邏輯鎖相環(huán)工作穩(wěn)定;

4、軟件啟動(dòng)對(duì)邏輯的外部RAM、內(nèi)部Block RAM、DDRC等的自檢操作;

5、軟件完成自檢以后，對(duì)邏輯所有可寫RAM空間及寄存器進(jìn)行初始化操作;

6、初始化完畢，軟件參考邏輯芯片手冊(cè)配置表項(xiàng)及寄存器;

7、邏輯準(zhǔn)備好，可以開始處理業(yè)務(wù)。

7、FPGA適用場(chǎng)景

FPGA適合非規(guī)則性多并發(fā)、密集計(jì)算及協(xié)議解析處理場(chǎng)景，例如人工智能、基因測(cè)序、視頻編碼、數(shù)據(jù)壓縮、圖片處理、網(wǎng)絡(luò)處理等各領(lǐng)域的加速。