应用受益于 FPGA 处理能力

多年来，现场可编程门阵列 (FPGA) 和可编程逻辑一直是工程师的主要工作，但一些使用微控制器进行设计的工程师不一定意识到在其应用中采用 FPGA 逻辑可为他们带来的附加值。在这里，我们将讨论一些应用程序如何从 FPGA 的实时处理能力中受益，并探索帮助工程师开始将 FPGA 逻辑集成到他们的设计中的工具。

更适合 FPGA 的应用

虽然工程师可以使用 MCU 和 FPGA 完成许多相同类型的事情，但许多应用程序可以受益于更高的处理能力和速度、低延迟、更快的连接以及 FPGA 的能源效率等改进性能。数字信号处理 (DSP)、加密货币、视频处理和人工智能等应用更适合 FPGA 而不是 MCU。

让我们以SmartFusion2 片上系统 (SoC)为例，研究将 FPGA 集成到设计中如何提高应用程序性能。该器件在一个芯片上结合了 MCU 和 FPGA 功能。该芯片有一个 166MHz 的 Arm ® Cortex ™ -M3 处理器和一个具有 6,000 到 146,000 个逻辑块的闪存 FPGA。MCU 具有内存保护单元 (MPU)、控制器局域网 (CAN) 端口、千兆以太网、多达 16 个收发器通道和高速 USB。SoC 的功能列表包括硬接口控制器、数学模块、DSP、安全启动、AES256、SHA256、5Mbit SRAM 和 4Mbit eNVM。

无论您将其视为带有 FPGA 的微控制器还是带有微控制器的 FPGA，这种组合都是一个功能强大的芯片。FPGA 提供了大量应用所需的处理能力，包括物联网 (IoT) 传感器数据分析、用于医学图像分析、交通和安全视频图像处理的 AI，以及工业系统实时运动控制。

FPGA 可以作为特定算法的定制硬件加速器。加速不仅会显着提高速度，还会显着降低功率。性能提升在很大程度上取决于算法，但至少一个数量级对于快速傅里叶变换 (FFT) 函数之类的东西来说并不罕见。

该 IC 的实用性得到极大扩展，因为它具有超低功耗，其 5G SERDES (PCIe Gen2) 端口仅耗电 70mW 就说明了这一点。该芯片的待机功耗低至 7mW。它有商业、工业、军事和汽车版本，进一步扩展了它的用途。

开始集成 FPGA 逻辑的好方法

Microchip Technology 的 Hello FPGA 套件 ( M2S-HELLO-FPGA-KIT ) 具有 M2S010 SmartFusion2 SoC ( M2S010-1VF256 )，非常适合具有中低 FPGA 知识的人（图 1）。它允许用户使用较小的 SmartFusion2 FPGA 版本之一探索设计，但具有强大的功能和易用性。这些 FPGA 实现了标准的基于 4 输入查找表 (LOT) 的架构，并受益于低功耗闪存技术，使其成为业界最安全可靠的 FPGA。

图 1：低成本紧凑型 Hello FPGA 套件包括一块 FPGA 主板、一块摄像头传感器板和一块 LCD 板。（来源：贸泽电子）

连接后，只需下载并安装示例 FPGA 设计即可开始操作。

需要考虑的应用

工程师可以使用 Hello FPGA 套件研究几乎任何功能，但可以轻松设置三个特定的设计实现，以了解 SmartFusion2 和 Hello FPGA 必须提供的所有功能。Hello FPGA的三个具体设计实现包括DSP、图像处理与识别、AI。让我们来探讨一下 Hello FPGA 是如何支持这些应用的。

数字信号处理 (DSP)：Microchip Technology Hello FPGA 的 DSP 演示（图 2）提供了创建有限脉冲响应 (FIR) 和 FFT 滤波器设计的见解。GUI 显示输入、输出和滤波器响应的图形。单击 Autosweep，GUI 将自动扫描其中一个输入信号频率。
 

图 2：Hello FPGA 套件的图形用户界面屏幕示例。这是一个用于 DSP 滤波器设计应用程序的应用程序。（来源：微芯科技）
 

图像处理和识别：该套件的图像处理应用程序从 640 x 480 摄像机捕获实时视频，对其进行格式化，并在 FPGA 运行图像处理的情况下将其显示在 LCD 上。可以通过屏幕上的滑块调整对比度、亮度和色彩平衡。
 

人工智能 (AI) 和机器学习 (ML)：人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 数字识别设计应用程序使用相机检测一张纸上的数字。FPGA 的 AI 算法然后决定它是哪个数字并将该答案显示在 LCD 上。
 

为了协助调试并帮助确保最低功耗运行，该套件的 GUI 支持实时 FPGA 内核功耗的测量和绘图。它还利用处理器的增强型嵌入式跟踪宏单元 (ETM) 进行调试。

此处提供的 Microchip Hello FPGA 套件视频提供了有关设置和使用该套件的更多信息。

更多的可能性 

套件中包含的 SmartFusion2 SoC 具有 12,084 个 FPGA 门。这个完全相同的芯片的其他六个版本（在更大的封装中）有多达 146,000 个门，以及 240 个数学块 vs. 22 和其他功能。该套件的 GUI 包括一个用户友好的应用程序，用于测试芯片和系统的特定功能，包括 Flash*Freeze 低功耗操作。它还具有用于灵活扩展的 Arduino 和 Mikrobus 连接器。

结论

集成 FPGA 逻辑可以提高许多应用程序的处理能力和速度、降低延迟、加快连接速度并提高性能。从 FPGA 逻辑中获益最多的一些应用包括 DSP、加密货币、视频处理和 AI。任何尚未尝试过 Hello FPGA 套件的工程师都应该尝试一下，即使只是为了更深入地了解 SmartFusion2 SoC 和 Hello FPGA 套件提供的 MCU 和闪存 FPGA 组合所提供的功能和灵活性。

Jim Harrison 是一名电子工程师，自 1989 年以来一直在工业自动化和科学仪器公司担任高级设计工程职位。2004 年，他转向写作，并在 Hearst Business Media 电子产品杂志担任高级编辑 14 年。他现在是 Lincoln Technology Communications 的顾问。

审核编辑 黄宇