FPGA的新尝试：将它Arduino化？

FPGA是Field Programmable Gate Arrays的缩写，即现场可编程门阵列。可以创建定制硬件，从而消除与厂商相关的成本。不幸的是，大多数芯片设计的复杂性仍然存在，这就是为什么大多数人更喜欢使用现成的芯片，往往接受他们的限制，而不是采取挑战，以获得他们需要的硬件优化，高效的设计。

然而FPGA入门并不简单，抽象的HDL语言，即便对于编程已经入门了的用户来说，其代码仍然如天书一样晦涩难懂，更不用说精通了。Vidor4000是Arduino新推出的一款开发板，试图将FPGA隐藏在相对简单的Arduino中，期望能消除这一障碍!

Vidor4000采用的新版MKR形式提供给用户，开发板上包含一颗Cyclone 10 10CL016 FPGA ，另外还包括一颗来自MicrochipTechnology 的SAMD21低功耗芯片，基于Arm Cortex-M0+。

大部分组件增位于开发板正面，开发板的反面丝印列出了MKR兼容引脚。

Vidor中使用的Intel Cyclone 10CL016 FPGA具有16,000个逻辑单元，504 KB的嵌入式RAM，以及用于DSP操作的硬件乘法器。引脚可以高达150MHz的速度运行（有时称为150兆翻转）。这个特殊部分非常适合音频和视频处理。开发板上主要的器件分布及名称如下：

在很小的尺寸上，Vidor4000提供了MicroHDMI、MIPI Camera及MiniPIC Express等接口，这些接口一般只在一些高档的Cortex A系列开发板上才提供。不过考虑到开发板上有一块FPGA芯片，这些配置也就合情合理了。Vidor4000的主要特性如下：

• 8 MB SRAM

• 2 MB QSPI闪存芯片 - 为用户应用程序分配1 MB

• Micro HDMI连接器

• MIPI相机连接器

• Wi-Fi和BLE由U-BLOX NINA W10系列设备供电

• 所有引脚均由SAMD21（32位ARM CPU）和FPGA驱动的MKR接口

• Mini PCI Express连接器，最多25个用户可编程引脚

• FPGA（Intel/Altera Cyclone 10CL016）包含16K逻辑单元，504 KB嵌入式RAM和56个18×18位HW乘法器

在正式体验之前，我们有必要了解一下FPGA与MCU的区别。FPGA和微处理器之间的根本区别在于，在微处理器中，内部硬件如I2C、SPI等是早已设计好的，产品出厂后不会再发生变化。内部晶体管具有特定的目的和特定的连接，虽然通常存在多路复用器和内部开关以使芯片更易于配置。但是，它仍然是固定功能电路。另一方面，FPGA可以配置（并重新配置）为几乎任何数字电路。实际应用上，一般在FPGA设计中嵌入微处理器内核。

硬件特性决定了功能设计(程序开发)最本质的差异。对于MCU，我们通过寄存器或者配套的SDK来进行功能设计，代码经编译后使用下载器如JTAG等上载到设备上。对于FPGA来说，现在的主流设计方法是使用HDL来描述硬件功能，HDL的最终结果是Bitstream，供FPGA来进行执行。

到目前为止，我们对于使用Arduino来开发FPGA仍是一片空白！也许代码会让我们会有更深入的了解。

接下准备Arduino开发环境，按照官方的文档，我们需要安装几个支持库。

第一个是Arduino MKR Vidro4000硬件平台支持。

这几个软件库也是需要的，其中第一个主要用于图形相关的支持，第二个是FPGA外设相关的库，最后一个则是WiFi相关的软件库。

启动Arduino IDE，打开Blink程序，配置开发板类型及商品如下：

配置完成后，按Ctrl+U上传代码到Vidro4000开发板，可以看到如下的内容显示

Atmel SMARTdevice 0x10010005 found
Device       :ATSAMD21G18A
Chip ID      :10010005
Version      :v2.0 [Arduino:XYZ] Aug  9 2018 11:17:30
Address      :8192
Pages        :-129
Page Size    :64 bytes
Total Size   :4194295KB
Planes       : 1
Lock Regions : 16
Locked       :none
Security     :false
Boot Flash   :true
BOD          :true
BOR          : true
Arduino      :FAST_CHIP_ERASE
Arduino      :FAST_MULTI_PAGE_WRITE
Arduino      :CAN_CHECKSUM_MEMORY_BUFFER
Erase flash
done in 0.829 seconds
 
Write 683844 bytes to flash (10686 pages)
 
[                              ] 0% (64/10686pages)
[                              ] 1% (128/10686pages)

代码上传成功后，看到开发板上的LED开始闪烁。

是不是咱已经开始使用FPGA来点灯了？答案是否！现在的代码和FPGA半毛钱的关系都没有。这一段代码只是用SAM21来点了个灯。

按照一般的方法，要使用FPGA，得先设计HDL代码，然后再编译成Bitstream。不过Arduino将这些繁琐的过程全部放进了软件库内，通过相关的C代码来实现相关的功能。Arduino对SADM21编程，SAMD21则通过JTAG接口向FPAG发出指令。如下：

这是SAMD21的JTAG接口，和下图的FPAG的JTAG接口连接以实现通信

大致了解了Vidor4000的工作原理后，我们来看一段代码，

// Let's configure pin A0 to be an output, controlled by the FPGA
FPGA.pinMode(33, OUTPUT);
FPGA.digitalWrite(33, HIGH);
 
// The same pin can be read by the SAMD processor :)
pinMode(A0,INPUT);
Serial.print("Pin A0 is ");
Serial.println(digitalRead(A0) == LOW ? "LOW" : "HIGH");
 
FPGA.digitalWrite(33, LOW);
Serial.print("Pin A0 is ");
Serial.println(digitalRead(A0) == LOW ? "LOW" : "HIGH");

SAMD21和FPGA的一些端口实际上是连接在一起的。如编号为33的FPGA端口，就和SAM21引出的A0接口连接到一起，这一段代码使用FPGA来输出信号，而使用SAMD21来读取信号，可以看作是二者的协作吧。

使用C代码来控制FPGA的操作被封装在类FPAG中，初始化FPGA的方法调用为FPGA.begin()

其它的一些操控FPGA的方法例如FPAG.pinMode()方法调用可以参考前面一段代码。

看上去很美好！

但是中间牵涉的细节太多！举例来说，最基本的GPIO操作，官方给出的文档还不完备，还没有一个完整的列表，用户如果需要使用这些功能，只能通过查看原理图来查看；另外内部IP核的封装，依赖官方给出的IP核，而完善这些功能，对于不熟悉FPGA的用户来说，仍然是一个大问题！

官方给出的库支持中，目前GPIO、I2C、SPI等都在支持之列。另外像WiFi、HDMI及Camera等操作都给出了参考Demo，但是支持的设备有限，例如MIPI Camera只支持Omnivision OV5647 。

对于熟悉FPGA编程的用户，官方也给出了一个Git仓库，提供了Arduino Vidor系列产品兼容的FPGA IP模块，面向已熟悉FPGA开发过程的用户。地址为https://github.com/vidor-libraries/VidorFPGA。

不管怎么说，至少FPGA的Arduino已走出了一步，在官方和社区的共同努力下，我们有理由相信，未来的FPGA，必定不会仅仅是阳春白雪，曲高而和寡！

Arduino再次向世界证明：没有Arduino干不了的事！