为软件工程师揭开 FPGA 的神秘面纱

随着产品设计复杂性的增加，需要使用集成组件（如ASSP）来满足设计上的要求。几年前，工程师会针对处理器、存储器和外设选择单独的组件，然后通过分立逻辑器件将这些元素拼合到一起。后来，他们会搜索ASSP处理系统目录，试图找出最相称的组合，以满足系统要求。当他们需要其他逻辑或外设时，通常会将某个FPGA与某个ASSP配对来完成解决方案。的确，调查表明FPGA在目前全部嵌入式系统中的使用比例占50%〜70%。

在过去的几年中，FPGA的尺寸有了增加，在单个器件中提供了足够的空间来容纳完整的处理器和逻辑系统。现在，软件工程师需要为FPGA内部的处理器开发和调试代码。在有些情况下，他们害怕这么做。不过，通过掌握FPGA基础知识并了解如何创建和调试用于FPGA嵌入式处理器的代码可以让他们坦然面对。

FPGA是什么？
现场可编程门阵列(field-programmable gate array，FPGA)是一种集成电路，其中包含的逻辑可以在制造后进行配置和连接（即“现场模式”）。在这方面，过去工程师会从产品目录中购买各种逻辑器件，然后通过印刷电路板上的连接将它们组装成一个逻辑设计，而现在的硬件设计人员可以在单个器件中实施完整的设计。形式最简单的FGPA中包括：

● 由与、或、非及其他许多逻辑函数组成的可配置逻辑块

● 使逻辑块可以连接到一起的可配置互连功能

● I/O接口

利用这些元素，用户可以创建任意逻辑设计。
硬件工程师通常用HDL（一般是Verilog或VHDL）编写代码，然后将设计汇编到一个对象文件中，该文件可加载到器件中供执行。在表面上，HDL程序可能看起来很像C语言之类的高级语言。

FPGA的技术优势
由于不使用ASIC以及没有与其关联的高额模板费用，FPGA是实现数据处理元素最灵活且高性价比的方法。FPGA由于采用了灵活的架构，能够允许硬件设计人员实现同时包含并行和串行元素的处理系统。这样一来，设计人员可以针对性能和延迟对系统进行优化。通常，与使用通用处理器可获得的性能相比，这些数据处理系统获得的性能级别更高，但成本却更低。

您可以将外部微处理器耦合到FPGA中的某个数据处理系统上，然后用它进行控制。但是，在FPGA中嵌入一个处理器可以提供几项优势。一个内部处理器可以极大地减少处理器与数据处理系统之间的延迟，能够消除大量处理器周期。处理器与数据处理系统之间的通信信道可以是32位或更高，拥有更多的寻址和控制线缆。对于一个外部处理器，这些增加的线缆可能需要更大的封装来容纳处理器和FPGA，从而抬高了系统成本。或者，也可以使用PCI Express(PCIe)来减少引脚的数量。而不幸的是，由于这是相对较新的接口，并非所有处理器和FPGA都支持PCIe。虽然PCIe具有与生俱来的高性能，但它是串行接口，因此会增加处理器与数据处理系统之间的延迟。

在FPGA中同时实现处理器与数据处理元素可以减少元件数量，缩小电路板空间，有时还能降低功耗。这可能产生一个成本显著降低的解决方案。FPGA中可提供固化的处理器实现（如ARM Cortex-A9处理器）或软核实现（如Xilinx MicroBlaze处理器）。基于FPGA的处理器还可根据应用的要求进行配置。基于FPGA的系统支持系统级的调优：它可以灵活地选择将计算功能在处理器或FPGA逻辑中实现。

实现技术
FPGA嵌入式处理系统的实现方法有很多种，但一般可将其分成三类：从头组装系统，使用向导将其组合到一起，或者通过修改现有设计实现。

FPGA工具可支持您从头组装一个处理系统，方法是：从列表中选择一个必需的IP，然后通过总线和线缆连接该IP。这样的组装虽然有效，但可能会耗费时间。

为了加快速度，FPGA工具还允许通过向导快速组装微处理器系统。通过使用下拉列表或复选框，可以轻松指定目标部件以及所需的处理器和外设。图1展示了向导启动的介绍窗口以及向导生成的最终系统。类似地，也可以使用 MATLAB?软件之类的工具，快速地将数据处理系统与用于控制的处理器总线接口组装起来。然后，只需匹配总线接口，就可将处理器与数据处理系统连接起来。

嵌入式处理系统的第三种实现方法是修改现有的参考设计，或将其添加到现有的硬处理器系统上。FPGA参考设计和硬处理器系统会继续演变，其中许多会变得更加侧重于市场。在许多情况下，设计均非常全面，无须硬件设计人员增加任何额外的组件。软件设计人员通常会找到完整的驱动程序，以及为这些参考设计预置的操作系统。

前面提及的前两种方法都是创建处理器系统的有效方法。但是，第三种方法从现有的经过验证的参考设计入手，因此可以极大地减少硬件和软件工程师的开发时间。

澄清误解
在工程设计界已经出现了一些有关在FPGA中开发处理器代码很困难的误解。我们希望能澄清这些误解。
误解：在FPGA中为处理器编写代码很困难。

事实：大多数FPGA嵌入式处理开发都是在现代化软件开发环境中用C或C++完成的。

许多FPGA供应商现在都支持使用Eclipse进行软件开发。Eclipse是一种支持插件的灵活软件开发环境，提供文本编辑器、编译器、链接程序、调试器、跟踪模块和代码管理等功能。

作为一个开放的环境，Eclipse拥有一个庞大的开发人员社区，不断地增加新功能。例如，如果程序员不喜欢提供的编辑器，他们可以安装一个更符合其需求的编辑器。

误解：FPGA没有像ASSP那样的处理器系统。

事实：现在已经有预置的FPGA软嵌入式处理器设计，也有具备像ASSP那样的外设集的硬处理器设计。

包含软处理器和硬处理器的FPGA增加了一个额外的功能。FPGA嵌入式软处理器参考设计整合了32位RISC处理器、内存接口以及符合行业标准的外设。此类处理器的灵活特性允许用户用逻辑换取额外的性能功能，如增加支持最新操作系统的MMU。众多的FPGA选择使用户可以选择某个处理器配置、外设、数据处理逻辑和逻辑性能级别来满足其系统要求。预置的类似于ASSP的参考设计使得软件设计人员可以立刻开始编写代码，不一定需要硬件工程师先实现一个处理器系统。在许多情况下，预置的设计会满足嵌入式处理器系统的要求，从而无须硬件工程师来进行进一步的处理器系统设计。在少数情况下，硬件工程师拥有一个出色的平台，可以在上面增加外设以及连接定制的硬件加速器。

误解：使用FPGA中的处理器调试代码很困难。

事实：FPGA嵌入式处理器的软件调试跟非嵌入式处理器的调试一样方便。调试器支持下载代码、运行程序、在源代码和对象代码级别单步执行、设置断点、检查存储器和寄存器。另外，还有其他工具可用于对代码进行特性分析和跟踪。

误解：不支持我喜爱的操作系统。

事实：大多数常见的嵌入式处理器都支持最常见的操作系统，并且这个名单还在不断增加中。Xilinx MicroBlaze支持Linux、ThreadX、MicroC/OS-II和eCos等操作系统。

误解：没有驱动程序。

事实：FPGA嵌入式处理器有一个很大的外设库，其中包含了驱动程序。表1是一个有代表性的名单，其中列出了FPGA软处理器可用的一些软外设。所有这些设备都存在相应的驱动程序。

误解：硬件工程师必须先建立它之后我才能编写代码。

事实：可以使用经过测试的预置处理器系统设计，因此可以立即进行软件开发。

这些预置的类似ASSP的处理器系统中包含处理器、内存控制器和内存、闪存控制器以及UART、GPIO和以太网接口等外设。这些系统在交付时都带有参考软件设计实例，其中包括对Linux引导的展示。

误解：无法使用FPGA嵌入式处理器进行特性分析或跟踪。

事实：特性分析和跟踪工具也是可以使用的。开发人员可以通过特性分析了解处理器在各个函数上所用的时间，以及对任何指定函数的调用次数。

误解：FPGA软件开发工具价格太贵了。

事实：ASSP和FPGA供应商为其嵌入式软件开发功能提供的定价在200美元到500美元之间。此外，许多供应商还提供试用版本以及免费或功能受限的版本，另外还有打折的评估套件。

创建和调试代码
FPGA嵌入式处理器系统的软件开发流程遵循一些常规步骤：

● 创建软件开发工作区并导入硬件平台。

● 创建软件项目和板支持包。

● 创建软件。

● 运行并调试软件项目。

可选步骤：对软件项目进行特性分析。

步骤3、4和5是大多数开发人员都熟悉的。有些开发人员可能不熟悉步骤1和2，但这些步骤都很明确。我们将采用Eclipse开发环境作为例子，更具体地了解每个步骤。

创建工作区并导入硬件平台
启动Eclipse以后，系统会提示用户要使用的工作区。工作区就是一个目录路径，用于存储项目文件。接着，用户指定硬件平台（设计）。硬件开发工具会自动生成此文件。该文件对处理器系统进行描述，其中包括存储器接口和外设以及存储器映射。该文件是硬件开发工具的输出内容，硬件工程师通常会向软件开发人员提供此文件。指定以后，就会导入硬件平台，此步骤也宣告完成。

创建软件项目和板级支持包
板级支持包 (board support package，BSP)包含供软件应用使用的库和驱动程序。软件项目是软件应用源和设置。

在针对Xilinx项目定制的Eclipse版本中，可以选择“File（文件）”→“New（新建）”→“Xilinx C Project（Xilinx C项目）”。对于Xilinx C项目，Eclipse会自动创建Makefiles，将源文件编译成对象文件，并将这些对象文件链接到一个可执行文件中。在此步骤中，用户可以定义“Project Name（项目名称）”，通过提供在步骤1中创建的硬件平台名称将其与硬件平台关联，然后指定项目名称。

接下来，系统会确认BSP的生成情况，并根据定义的硬件平台和操作系统自动加载适用的驱动程序。随后会编译这些驱动程序，生成BSP。

创建软件
此时可以导入软件实例，或者从头创建代码。保存代码时，Eclipse会自动编译并链接代码，并报告任何出现的编译器或链接程序错误。

运行并调试软件项目
使用FPGA时，在执行代码之前必须完成一个步骤：为FPGA编程。在Eclipse中，只需选择“Tools（工具）”→“Program FPGA（FPGA编程）”。此步骤将获取硬件工程师已创建的硬件设计，并将其下载到FPGA上。该作业完成后，就可以选择要构建的软件类型了。“Debug（调试）”会禁用代码优化并插入调试符号，而“Release（发布）”则会启用代码优化。若要进行特性分析，可使用-pg编译选项。

最后，通过选择“Run（运行）”并定义运行配置的类型和编译器选项，可以运行代码。如果选择了“Release（发布）”，则处理器将立即开始执行代码。否则，处理器将执行一些引导指令，并将在源代码的第一行处停止，Eclipse中将出现调试视图。

调试视图会显示源代码或对象代码、寄存器、存储器和变量。可以在源代码或对象代码级别单步执行代码，并可以设置代码执行的断点。

对软件项目进行特性分析
如果您需要，可以在此时对代码进行特性分析，查看函数调用的次数，并可查看用在任何指定函数上的时间百分比。图3展示了包含特性分析器结果的Eclipse特性分析视图实例。

FPGA的优势
在成本、能耗、尺寸和整体系统效率方面，FPGA嵌入式处理器正在成为主要的设计选择。好消息是，软件工程师不需要将FPGA嵌入式处理器看得很神秘，或者不再比外部处理器更难以编程。

FPGA供应商提供的是符合行业标准的开发环境（如Eclipse），成本上有竞争力，并针对FPGA嵌入式处理进行了定制。在这些环境中，用户可以创建、编译、链接和下载代码，并可像其以前对待外部处理器一样，以相同的方式调试其设计。借助预置的处理器参考设计，软件工程师可以立即开始编写代码并进行测试，不一定需要硬件工程师提供最终设计。最后，FPGA嵌入式处理器拥有丰富的IP库、驱动程序和操作系统支持。