作者：Clive Maxfield
关键词 : FPGA, 开发工具, 方案
编者按：
FPGA选型高级概述
市场上有许多不同类型的FPGA，每种类型都有不同的功能和特性组合。可编程结构是任何FPGA的核心，它以可编程逻辑块阵列的形式呈现，也称为逻辑元件 (LE)（图1(a)）。FPGA结构可进一步扩展，以包括SRAM块（称为块RAM (BRAM)）、锁相环 (PLL) 和时钟管理器之类的东西（图1(b)）。此外，还可以添加数字信号处理 (DSP) 块（称为DSP切片）和高速串行器/解串器 (SERDES)（图1(c)）。
图 1：最简单的 FPGA仅包含可编程结构和可配置通用 IO (GPIO) (a)；不同架构是在此基本结构上增加其他元件而形成：SRAM块、PLL和时钟管理器 (b)；DSP块和 SERDES接口 (c)；以及硬处理器内核和外设 (d)。（图片来源：Max Maxfield） 2 C、SPI、UART和USB）可以实现为可编程结构中的软内核，但许多FPGA将其作为硬内核在硅片中实现。同样，微处理器也可以实现为可编程结构中的软内核，或作为硬内核在硅片中实现（图1(d)）。具有硬处理器内核的FPGA称为片上系统 (SoC) FPGA。不同FPGA针对不同的市场和应用提供不同的功能、特性和容量集合。
FPGA供应商有很多，包括Intel （收购了Altera）、Efinix 、Lattice Semiconductor、Microchip Technology（收购了Atmel 和Microsemi），以及 Xilinx。
所有这些供应商都提供多个FPGA系列：有的提供SoC FPGA，有的提供面向人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 应用的器件，有的则提供适用于航天应用的耐辐射器件。由于产品系列众多，每个系列提供不同的资源，因此为眼前的任务选择最佳器件可能很棘手。
Intel FPGA和SoC FPGA介绍
Intel 提供各种各样的可编程器件产品，性能和功能从中等到极高都有，并涵盖传统FPGA到SoC FPGA（即，将FPGA可编程结构和一种或多种强化处理器内核结合在一起的器件）。
Intel 的产品系列当前有五个主动FPGA系列，包括Max 10 、Cyclone 10 ，和Arria 10 （图2）。Intel 还提供极高端的Stratix 10及其更新的最先进Agilex器件。
图 2：在 Intel的五个 FPGA系列中，其中三个（从成本最低 (Max 10) 到最高容量及性能 (Arria 10)）的目标应用和市场覆盖从板卡管理和 I/O扩展，一直到嵌入式视觉和军事/国防。Stratix 10和更新的 Agilex器件进一步提升了性能。（图片来源：Max Maxfield） Max 10 FPGA集成片载NOR闪存，以提供FPGA配置。其他产品系列有基于SRAM的配置单元，并且会在上电时从板载外部存储器件或系统的其他位置（如在外部处理器的控制之下）加载配置。除MAX 10 系列以外，所有其他Intel FPGA系列都可作为FPGA或SoC FPGA的形式提供，并与强化微处理器系统集成。
MAX 10 FPGA的集成功能包括模数转换器 (ADC) 和双通道配置闪存，后者可提供在单个芯片上存储与动态切换两张图像的功能。MAX 10 FPGA还具有Nios II软核心处理器支持、DSP块和软双倍数据速率3 (DDR3) 存储控制器。
MAX 10 产品组合中的代表性器件是10M16SCU169I7P 。该产品具有16,000个逻辑单元和130个输入/输出 (I/O)，而且总RAM位数为562,176。Intel的EK-10M08E144 是适用于MAX 10 的评估板，另一个是HINJKIT ，这是Alorium Technology, LLC 的FPGA物联网传感器集线器开发套件（图3）。尤其值得关注的是，HINJKIT的MAX 10 FPGA包括Alorium Technology的AVR兼容8位微控制器，使HINJKIT能与Arduino IDE配合使用。该板还可为第三方物联网载板、模块和配件提供高度的接口灵活性。
图 3：HINJKIT是Alorium的 MAX 10 FPGA开发平台，可为第三方物联网载板、模块和配件提供高度的接口灵活性。（图片来源：Alorium Technology） Cyclone 10 GX FPGA提供12.5GB基于收发器的功能、1.4Gbit/s低压差分信号 (LVDS)，以及适用于最高1,866 Mbits/s数据速率的高达72位宽DDR3 SDRAM接口。Cyclone 10 GX FPGA针对机器视觉、视频连接和智能视觉相机等高带宽性能应用进行了优化。
与之相比，Cyclone 10 LP FPGA则针对低静态功耗、低成本应用进行了优化，例如I/O扩展、传感器融合、电机/运动控制、芯片到芯片桥接以及控制应用。GX和LP器件系列都支持垂直迁移，使设计人员从一个器件开始着手设计，然后在未来迁移到相邻密度。
Cyclone 10 产品组合中的代表性器件是10CL006YU256A7G 。该产品具有6,272个逻辑单元和176个I/O，而且总RAM位数为276,480。相关的开发和评估板及模块还有很多，包括P0496 DE10-NANO Cyclone V SE SoC套件（图4）、P0553 TSoM Cyclone V SE评估板（也基于Cyclone V SoC FPGA）和P0581 TSoM Cyclone V SE FPGA评估板，它们都是Terasic Inc 的产品。（注意，这些板上的Cyclone V FPGA是Cyclone 10系列的较早期产品。）
图 4：低成本 P0496 DE10-NANO开发套件拥有强大的硬件设计平台，让用户可以试验与评估Cyclone FPGA。（图片来源：Terasic Inc.） Arria 10 器件基于TSMC的20纳米 (nm) 工艺技术，将双核Arm Cortex-A9 MPCore硬处理器系统 (HPS) 与可编程结构组合在一起，该结构还包括强化浮点DSP块。Arria 10 还装载了嵌入式高速收发器、硬存储控制器，以及协议知识产权 (IP) 控制器，全都包含在单个高度集成的封装中。
Arria 10 产品组合中的代表性器件是10AX022C4U19E3SG 。该产品具有220,000个逻辑单元和240个I/O，而且总RAM位数为13,752,320。Intel的DK-DEV-10AX115S-A Arria 10 GX FPGA评估板（图5）是开发此FPGA的合适平台。该板让设计人员能够开发与测试基于Arria 10 的PCI Express (PCIe) 3.0设计；开发与测试由DDR4、DDR3、QDR IV和RLDRAM III存储器组成的存储器子系统；并且通过使用FPGA夹层卡 (FMC) 连接器连接到由Intel合作伙伴提供的FMC夹层卡，来开发模块化的可扩展设计。
图 5：DK-DEV-10AX115S-A Arria 10 GX FPGA开发套件提供一个完整的设计环境，包括开发与测试基于 PCIe的设计、存储器子系统和基于 FMC卡的系统所需的全部硬件和软件。 （图片来源：Intel）
使用Intel的FPGA和SoCs FPGA进行设计和开发
在本FPGA系列文章的第1部分中，我们指出这些器件的传统设计方法是让工程师使用Verilog或VHDL等硬件描述语言
(HDL)，在抽象级别（即寄存器传送级 [RTL]）上捕获设计意图。首先可以对这些RTL描述进行仿真，以验证其是否符合要求，然后将其传送给综合工具，生成用于对FPGA进行配置（编程）的配置文件。
抽象的下一步是捕获设计意图，主要是使用C/C++之类的编程语言或SystemC这样的特殊实现工具；后者是一组C++类和宏，可提供事件驱动的仿真接口。这些方法有助于并发进程的仿真，每个进程都使用简单的C++语法进行描述。对于此类描述，可以通过像常规程序一样运行来进行分析和配置，然后传递给高级综合 (HLS) 引擎，由该引擎输出RTL，而RTL会传输至常规综合引擎。
Open CL（开放运算语言）在概念上更加抽象，该框架适用于编写可跨异构平台执行的程序。除了FPGA，这些平台还包括中央处理单元 (CPU)、图形处理单元 (GPU)、数字信号处理器 (DSP)，以及其他处理器或硬件加速器。OpenCL指定用于为这些器件进行编程的编程语言（基于C99和C++11），并且指定应用程序编程接口 (API)，以对平台进行控制并在运算设备上执行程序。
对于Intel FPGA和SoC FPGA，用户使用Intel的Quartus Prime 设计软件为所有产品系列开发设计。该软件分为三个版本：Quartus Prime Pro Edition、Quartus Prime Standard Edition 和 Quartus Prime Lite Edition。Pro和Standard Edition需要付费许可证，而Lite Edition可供免费下载。
Pro Edition经过优化，可借助Agilex、Stratix 10、Arria 10 和Cyclone 10 GX 器件系列支持下一代FPGA和SoC FPGA中的高级功能；Standard Edition广泛支持Cyclone 10 LP 器件系列及其他更早期的器件系列；而Lite Edition可免费下载而无需许可证文件，为大容量器件系列提供理想的切入点。
Intel 提供各式各样的其他设计工具和资源，包括Intel DSP Builder 、Intel高级综合 (HLS) 编译器 ，以及Intel FPGA SDK for OpenCL 。
Intel Distribution of the OpenVINO Toolkit 也非常实用，可帮助开发人员构建人工智能 (AI)、计算机视觉、音频、语音和语言应用程序，实现从边缘至云的深度学习推理。除了FPGA，该工具套件还支持使用常见的API，跨Intel架构和AI加速器（CPU、iGPU、Intel的Movidius视觉处理单元 (VPU) 和Intel的Gaussian & Neural Accelerator (GNA)）异构执行。该工具套件由基于Cyclone V GT FPGA的OpenVINO入门套件 提供支持。
总结
最佳处理设计解决方案常常是由处理器与FPGA的组合提供，或由FPGA单独提供，或以硬处理器内核作为部分结构的FPGA提供。作为一项技术，FPGA多年来发展迅速，能够满足灵活性、处理速度、功耗等多方面的设计需求，非常适合智能接口、机器视觉和人工智能等众多应用。
Intel 提供从低到极高范围、从传统FPGA到SoC FPGA的可编程器件产品。如上所述，要使用此类器件进行设计，Intel 和其他第三方都提供强大的开发套件和工具，以满足硬件开发人员、软件开发人员以及人工智能和计算机视觉系统构建者的需求。
拓展阅读
FPGA 基础知识：什么是 FPGA？为何需要 FPGA？ FPGA 基础知识 — 第 2 部分：Lattice Semiconductor 的 FPGA 使用入门 FPGA 基础知识 — 第 3 部分：Microchip Technology 的 FPGA 使用入门 FPGA 基础知识 — 第 4 部分：Xilinx 的 FPGA 使用入门 FPGA 101：入门指南 使用 Efinix 已启用 Quantum 的 FPGA 实现低功耗、高性能的边缘计算
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