詳解嵌入式軟件開發到FPGA開發

寫在最前面：

沒錯，我就是一名普普通通的工程師，有那么一兩項能養活自己的技術。技術這個東西，如果只是用在工作崗位上的話，就是一個“搬磚”的工具，如果把它分享出來，沒準還能碰撞出有意思的東西來，你們說是吧？

好了，這一系列博文教程叫做“FPGA軟硬件加速入門”，顧名思義，就是利用FPGA本身的特點，在軟硬件進行不同的系統分工，加速系統輸出的速度（主要是計算），我會盡量從入門者的角度講解相關內容，如果你覺得還行，挺受用，動一動手指，幫忙轉發一下，不勝感激啦~

一、從嵌入式軟件開發到FPGA開發

1.1 單片機開發流程淺析

在開始介紹FPGA之前，讓我們來回顧一下簡單的嵌入式軟件開發吧，相信大家或多或少都接觸過單片機（Micro Control Unit）的設計流程。作為一個簡單的控制器，單片機的工作流程無非如下：

1、單片機上電，程序從存儲器中加載到MCU內部；

2、根據單片機的輸入（如鍵盤輸入、傳感器數據的讀取等）、以及程序內部的邏輯，計算得到控制結果；

3、將結果輸出，控制單片機的外部設備（如LED的亮滅、控制電機轉速的PWM波形等）；

也就是說，一個簡單的單片機工作系統的構成如下：

詳解嵌入式軟件開發到FPGA開發

而為了搭建上面的這樣一個系統，我們在軟件方面需要做的事情包括下面這幾部分：

1、代碼編輯，這里主要包括輸入輸出設備驅動和內部的控制邏輯；

2、代碼編譯，將源文件（.c或.cpp）轉化為指定單片機可執行的二進制文件；

3、可執行文件燒寫，將二進制文件固話到單片機（內部或外部）的存儲器中；

上面三個步驟，我們一般是在各種IDE（Integrated Development Environment）開發環境下實現的，也就是說在一個軟件里面實現編輯、編譯、燒寫的功能，常見的IDE軟件如下：

1.2 從單片機開發到FPGA開發

1.2.1 FPGA的基本工作原理

在進行FPGA開發之前，我們必須得了解為什么要使用FPGA，也就必須得知道FPGA的工作原理。我們知道，對于一個簡單單片機系統來說，工作原理和上文描述一樣，也就是說，對于一個簡單的讓LED閃爍的功能，單片機要做的事情如下：

1、從（內部或外部）的程序存儲器中，取出一條讓LED點亮的指令；

2、將該指令輸入到CPU的指令譯碼器中，根據譯碼器的結果（此處是將控制LED的GPIO的輸出寄存器的bit位拉高）控制相應寄存器；

3、加載下一條延時指令，輸入到譯碼器中，進行空操作處理；

4、繼續加載下一條讓LED滅的指令，譯碼后，控制GPIO總線上的指定bit位拉低，從而熄滅LED；

5、循環上述操作達到閃爍LED的目的；

通過上面閃爍LED的例子，我們可以知道，對于單片機來說，它的核心有2點：

指令的加載、譯碼——其實也就是對指令集的解析，知道這一條語言到底進行了什么硬件上的操作，后面章節會詳細的解釋；

外設的控制——可以通過寫寄存器控制單片機的外設，如GPIO、uart、spi、IIC等；

那么對于FPGA而言呢？

無論是FPGA、單片機，又或是ARM系統、我們的PC，其實本質上就是一個計算平臺，是一個信息處理系統。作為一個系統，它的輸入、計算、輸出的構成是永遠不會變的。那變的是什么？變得是計算的原理。

對于單片機而言，取指、譯碼、輸出是它的原理，那么對于FPGA而言，它的原理又是什么？在介紹之前，我們先回顧一下《數字電路》這門課里面的基礎內容——組合邏輯和時序邏輯電路。

D觸發器是時許邏輯電路的基本組件，與、或、非們是組合邏輯電路的基本組建。利用這些組建我們可以實現很多小的功能。

比如，通過D觸發器我們可以設計一個計數器：

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比如，我們可以通過簡單的組合邏輯來實現一個比較器

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講到這里，大家可能已經知道了，這兩個簡單的邏輯電路其實能夠構成一個讓LED閃爍的簡單系統。我們只需要將計數器的輸出作為比較器的X輸入，而另外一個固定的電平值（比如說8）作為Y輸入，那么每當X=Y的時候，比較器的X=Y都會輸出一個高電平。而將X=Y的輸出作為另一個1位計數器的輸入的時候，便會產生這么一個效果——每過8個時鐘周期后，最后輸出的電平就會反轉一次，達到LED閃爍的效果，整個電路的構成如下：

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為什么在這里要講LED閃爍的數字電路構成呢？因為這正是FPGA的工作原理！FPGA全程Field Programmable Gate Array（現場可編程門陣列），這個“門”指的就是FPGA內部芯片的主要組成部分——龐大數量的寄存器和門電路（詳細的構成后面章節會介紹）。

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至此，我們可以對比出單片機開發和FPGA工作原理了。它們的異同點如下表：

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1.2.2 為什么要用FPGA

前面我們說到一個簡單的控制LED的例子，知道了整個流程是取指、譯碼、控制外設的流程。對于一個LED電頻翻轉來說，MCU當然是足夠的，我們思考一下以下幾個問題：

1. 如果我要輸出高清的60幀/s的1080P視頻信號給顯示器怎么辦？用GPIO控制？

2. 如果我要進行運算量非常大的程序，比如現在非常火的AI網絡訓練，涉及到大量的乘法、加法，用MCU？PC？

回答了上述幾個問題也就解釋了為什么要用FPGA了。我們來挨個解釋一下：

1. 用GPIO翻轉輸出一個指定的電平需要幾十個時鐘周期（MCU的clock頻率），如果我要輸出一個60幀、1080P的視頻信號的話（其實也是電平的控制），那么翻轉的頻率可能要達到百兆的速度了，如果使用MCU這種方式的話，MCU要達到幾GHz的主頻了，這顯然是不現實的。而根據上面FPGA的電平翻轉的原理，D觸發器的時鐘頻率只需要百兆就可以了；

2. 計算機基礎告訴我們，無論是MCU還是PC的CPU，內部都有相應的乘法器和加法器。如果設計到大量的計算的話，單個乘法/加法器哪怕主頻再高，計算速度也跟不上。而對于FPGA來說，可以仿照上面計數器、比較器的方式，設計幾十個、幾百個甚至幾千個計算單元，哪怕主頻比CPU低很多，計算速度也遠高于CPU。二者的關系可以用下圖形象地表示：

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