详解嵌入式软件开发到FPGA开发

写在最前面：

没错，我就是一名普普通通的工程师，有那么一两项能养活自己的技术。技术这个东西，如果只是用在工作岗位上的话，就是一个“搬砖”的工具，如果把它分享出来，没准还能碰撞出有意思的东西来，你们说是吧？

好了，这一系列博文教程叫做“FPGA软硬件加速入门”，顾名思义，就是利用FPGA本身的特点，在软硬件进行不同的系统分工，加速系统输出的速度（主要是计算），我会尽量从入门者的角度讲解相关内容，如果你觉得还行，挺受用，动一动手指，帮忙转发一下，不胜感激啦~

一、 从嵌入式软件开发到FPGA开发

1.1 单片机开发流程浅析

在开始介绍FPGA之前，让我们来回顾一下简单的嵌入式软件开发吧，相信大家或多或少都接触过单片机（Micro Control Unit）的设计流程。作为一个简单的控制器，单片机的工作流程无非如下：

1、 单片机上电，程序从存储器中加载到MCU内部；

2、 根据单片机的输入（如键盘输入、传感器数据的读取等）、以及程序内部的逻辑，计算得到控制结果；

3、 将结果输出，控制单片机的外部设备（如LED的亮灭、控制电机转速的PWM波形等）；

也就是说，一个简单的单片机工作系统的构成如下：

而为了搭建上面的这样一个系统，我们在软件方面需要做的事情包括下面这几部分：

1、 代码编辑，这里主要包括输入输出设备驱动和内部的控制逻辑；

2、 代码编译，将源文件（.c或.cpp）转化为指定单片机可执行的二进制文件；

3、 可执行文件烧写，将二进制文件固话到单片机（内部或外部）的存储器中；

上面三个步骤，我们一般是在各种IDE（Integrated Development Environment）开发环境下实现的，也就是说在一个软件里面实现编辑、编译、烧写的功能，常见的IDE软件如下：

1.2 从单片机开发到FPGA开发

1.2.1 FPGA的基本工作原理

在进行FPGA开发之前，我们必须得了解为什么要使用FPGA，也就必须得知道FPGA的工作原理。我们知道，对于一个简单单片机系统来说，工作原理和上文描述一样，也就是说，对于一个简单的让LED闪烁的功能，单片机要做的事情如下：

1、 从（内部或外部）的程序存储器中，取出一条让LED点亮的指令；

2、 将该指令输入到CPU的指令译码器中，根据译码器的结果（此处是将控制LED的GPIO的输出寄存器的bit位拉高）控制相应寄存器；

3、 加载下一条延时指令，输入到译码器中，进行空操作处理；

4、 继续加载下一条让LED灭的指令，译码后，控制GPIO总线上的指定bit位拉低，从而熄灭LED；

5、 循环上述操作达到闪烁LED的目的；

通过上面闪烁LED的例子，我们可以知道，对于单片机来说，它的核心有2点：

指令的加载、译码——其实也就是对指令集的解析，知道这一条语言到底进行了什么硬件上的操作，后面章节会详细的解释；

外设的控制——可以通过写寄存器控制单片机的外设，如GPIO、uart、spi、IIC等；

那么对于FPGA而言呢？

无论是FPGA、单片机，又或是ARM系统、我们的PC，其实本质上就是一个计算平台，是一个信息处理系统。作为一个系统，它的输入、计算、输出的构成是永远不会变的。那变的是什么？变得是计算的原理。

对于单片机而言，取指、译码、输出是它的原理，那么对于FPGA而言，它的原理又是什么？在介绍之前，我们先回顾一下《数字电路》这门课里面的基础内容——组合逻辑和时序逻辑电路。

D触发器是时许逻辑电路的基本组件，与、或、非们是组合逻辑电路的基本组建。利用这些组建我们可以实现很多小的功能。

比如，通过D触发器我们可以设计一个计数器：

比如，我们可以通过简单的组合逻辑来实现一个比较器

讲到这里，大家可能已经知道了，这两个简单的逻辑电路其实能够构成一个让LED闪烁的简单系统。我们只需要将计数器的输出作为比较器的X输入，而另外一个固定的电平值（比如说8）作为Y输入，那么每当X=Y的时候，比较器的X=Y都会输出一个高电平。而将X=Y的输出作为另一个1位计数器的输入的时候，便会产生这么一个效果——每过8个时钟周期后，最后输出的电平就会反转一次，达到LED闪烁的效果，整个电路的构成如下：

为什么在这里要讲LED闪烁的数字电路构成呢？因为这正是FPGA的工作原理！FPGA全程Field Programmable Gate Array（现场可编程门阵列），这个“门”指的就是FPGA内部芯片的主要组成部分——庞大数量的寄存器和门电路（详细的构成后面章节会介绍）。

至此，我们可以对比出单片机开发和FPGA工作原理了。它们的异同点如下表：

1.2.2 为什么要用FPGA

前面我们说到一个简单的控制LED的例子，知道了整个流程是取指、译码、控制外设的流程。对于一个LED电频翻转来说，MCU当然是足够的，我们思考一下以下几个问题：

1. 如果我要输出高清的60帧/s的1080P视频信号给显示器怎么办？用GPIO控制？

2. 如果我要进行运算量非常大的程序，比如现在非常火的AI网络训练，涉及到大量的乘法、加法，用MCU？PC？

回答了上述几个问题也就解释了为什么要用FPGA了。我们来挨个解释一下：

1. 用GPIO翻转输出一个指定的电平需要几十个时钟周期（MCU的clock频率），如果我要输出一个60帧、1080P的视频信号的话（其实也是电平的控制），那么翻转的频率可能要达到百兆的速度了，如果使用MCU这种方式的话，MCU要达到几GHz的主频了，这显然是不现实的。而根据上面FPGA的电平翻转的原理，D触发器的时钟频率只需要百兆就可以了；

2. 计算机基础告诉我们，无论是MCU还是PC的CPU，内部都有相应的乘法器和加法器。如果设计到大量的计算的话，单个乘法/加法器哪怕主频再高，计算速度也跟不上。而对于FPGA来说，可以仿照上面计数器、比较器的方式，设计几十个、几百个甚至几千个计算单元，哪怕主频比CPU低很多，计算速度也远高于CPU。二者的关系可以用下图形象地表示：

FPGA开发流程

二、FPGA开发流程

FPGA的开发有一个特点，即开发环境和使用的芯片有非常强的关联性。不像单片机开发的IDE，一个开发套件可以适配几十上百家不同的单片机（各种51、PIC、stm32等）。但目前主流的FPGA芯片只有2家——Xilinx（赛灵思）和Altera（后被Intel收购，我们姑且称之为英特尔的FPGA吧）。

这系列博文主要集中在Xilinx的FPGA芯片及其相应的开发套件Vivado上。

以比较常见的stm32系列单片机和集成开发环境Keil为例，我们来对比一下单片机开发和FPGA开发的流程。

可以看到，相对于单片机（更不用说普通的PC软件开发了），FPGA的开发流程复杂了许多。工程么，不就是各种tradeoff，开发便利和计算性取舍，就是后话了~