FPGA是什麼呢，通透講解單片機和FPGA的區別

那麼，FPGA又是什麼呢？FPGA英文全稱為Field Programmable Gate Array，它的中文名是現場可編程邏輯門陣列。FPGA主要是由可編程邏輯陣列和各種外設組成的，它是一種半定製電路。通過使用quartus或vivado這些開發軟體編寫verilog或VHDL程序，我們可以實現並綜合出各式各樣的數字電路，並可以把電路「燒」進FPGA器件，完成電路在物理層面上的實現。FPGA是可以進行無限次「擦寫」的，只有邏輯資源足夠，FPGA理論上可以實現所有的數字電路，哪怕是CPU這樣複雜的超大型電路。然而，FPGA的邏輯資源往往是很匱乏的，哪怕是在今天，也難以完成大規模的浮點運算。而且，由於FPGA的基本單元使用的是可配置邏輯單元，工藝製程往往會受到限制，總會比ASIC落後好幾代，並且工作頻率也一直達不到CPU早已標配的GHz。

圖2 Altera DE2-115開發板

FPGA最大的優點是它的並行度高，我們可以在FPGA上設計並實現N維的並行流水線，在時鐘的驅動下，這些流水線可以同時進行工作，能極大地減小運算時間和提高運算效率。對於單片機而言，單片機的主體其實就是CPU，而CPU執行運算是串行的。在進行一次運算時，一般是先由CPU向運算單元發送指令，然後運算器進行運算並給出結果，接著CPU接收到計算結果並進行暫存，再進行下一次運算。此外，對於CPU而言，晶片大部分面積是控制邏輯單元，只有很少一部分是運算單元。因此，在執行高密集度運算時，CPU是難以勝任的。但是，CPU所擅長的邏輯控制，卻正是FPGA所欠缺的。由於FPGA所有功能均依靠硬體實現（這裡指傳統的FPGA），完全不使用軟體，甚至無法實現分支條件跳轉等操作。

二.CPU和FPGA的結合

從上面的分析可以看到，CPU長於控制，而FPGA則擅長運算。因此，很快就有人想到了在FPGA開發里引入CPU來進行邏輯控制，以彌補FPGA的缺陷。最開始，這種「聯姻」是由FPGA開發商主導的，Altera最早提出了SOPC（System On a Programmable Chip，可編程片上系統）技術，這種技術使用FPGA的邏輯和資源搭建的一個軟核CPU系統，後來Xilinx也進行了跟進。Altera主推的軟核是Nios-II，而Xilinx主推的軟核則是MicroBlaze。老實說，這些軟核的效率並不高，而且它們都有自己的一套開發環境和開發流程，實際使用起來其實非常麻煩，而且應用場景也不多。因此，這些軟核並沒有在FPGA開發中引起什麼變革，長期處於廠商力推，而市場卻不溫不火的狀態。

然而，時代總是在前進的，隨著無人駕駛、大數據分析、物聯網、人工智慧等行業的發展，嵌入式平台的應用範圍得到了極大的擴展，但這些應用場景對算力提出了新的要求，單片機這種傳統的嵌入式平台的算力就顯得捉襟見肘。Xilinx開始意識到，與其自己開發軟核，來為FPGA打輔助；不如反過來讓FPGA給CPU打輔助，直接在FPGA集成ARM的Cortex-A系列處理器。這樣，FPGA就實際意義上成了CPU的外設，專門用於計算，除此之外的所有事，都由強大的Cortex-A系列處理器來完成。在2010年4月矽谷舉行的嵌入式系統大會上，Xilinx發布了ZYNQ 7000系列FPGA，它由雙核A9+Xilinx 7系列FPGA組成。嚴格意義上，它其實不算是FPGA，更像是嵌入式開發平台。然而，它又和傳統的嵌入式開發平台不一樣，它又需要使用FPGA搭建定製電路，這就需要開發者掌握較高的硬體開發能力。這款產品推出時，受到了很大的質疑，很多人都覺得它實用性並不會太高，只是Xilinx推出的一個實驗性產品。

圖3 ZYNQ7000開發板

但是，ZYNQ卻取得了巨大的成功，成為了Xilinx最著名的FPGA開發板系列之一。Xilinx的判斷是正確的，在隨後的10年內，解決嵌入式平台的算力瓶頸成為了行業發展的主流方向。就拿人工智慧來說，在ZYNQ推出後，很多大學研究小組用它完成了卷積神經網絡在FPGA平台上的部署，實現了對卷積神經網絡的硬體加速。FPGA平台相對於GPU有更低的功耗，相比於ASIC有可編程性，使得對FPGA加速器的研究一度成為人工智慧領域的熱門方向。當然，這時的FPGA不是傳統的FPGA了，而是CPU+FPGA。這種模式也被Altera迅速跟進，它們也推出了雙核A9+Altera FPGA的開發平台，比如DE1-SoC等。嚴格來說，Cortex-A9處理器不是單片機（即微控制器，MCU），而是微處理器（MPU），但是它們都是CPU。因此，在上文中，我們並沒有說單片機和FPGA進行「聯姻」，而是直接說的是CPU和FPGA進行聯姻，這主要是為了保證文章的「嚴謹性」。在這一時期，雖然兩者的「聯姻」主要還是由FPGA開發商推動的，但FPGA卻成為了CPU的一個大型外設，由主角變為了配角。

三.ARM DesignStart計劃的推出

在PC時代，英特爾+Windows組成的「Wintel聯盟」長期處於絕對的統治地位，在這一時期ARM的存在感其實很低。但是，隨著智慧型手機、智能導航儀等移動端平台的發展，ARM開始成長為移動市場的行業巨頭。關於ARM為何能在移動端擊敗英特爾，有很多種不同的說法，但主要原因總結起來有3點。第一，英特爾低估了移動端的發展潛力，沒有及時進場。第二，ARM處理器採用的是RSIC指令集，而英特爾採用的是CSIC指令集，雖然CSIC指令集性能更占優，但功耗往往會非常高，因此不適用於移動端產品；而RSIC指令能做到低功耗，這在移動端是絕對的優勢。第三，ARM采用IP授權的商業模式，和谷歌、蘋果、高通、三星等公司形成了聯盟，組建起了以ARM為核心的生態圈。總的來說，ARM的崛起主要還是由於移動端市場的發展，因此ARM註定不會漠視在物聯網時代會大放異彩的嵌入式平台。

在2010年，ARM正式推出ARM DesignStart計劃，開源了1000多個物理IP，為用戶提供了快速獲得ARM IP的方式。客觀來說，這一時期的DesignStart計劃實際上沒有產生多大的行業影響，因為它開源得還不夠。在2015年10月15日，ARM終於決定開源自己的Cortex-M0核。講道理，這是一枚行業的重磅炸彈，Cortex-M系列處理器早就在MCU領域實現了絕對統治。ARM此舉非常明確，就是希望大家使用Cortex-M0核自主搭建SoC，實現定製化的物聯網終端晶片的設計，讓Cortex-M系列處理器在物聯網領域得到更多的應用。這次開源引起了巨大的行業反響，掀起了一波超高能效定製化SoC的開發熱潮。隨後，ARM又在2017年6月20日開源了Cortex-M3核，並在2018年10月22日開源了Cortex-A5核。DesignStart計劃的不斷推進，使得ARM在物聯網領域也逐漸建立起優勢。

圖4 ARM DesignStart計劃

雖然近幾年，RISC-V處理器的開發非常熱門，很多人預言這種RISC指令集處理器會在物聯網領域取代ARM。但是，我卻並不看好RISC-V，ARM有著更加先進的技術和更為完善的開發環境，這都不是RISC-V可比的。和ARM相比，RISC-V更像是高校的「玩具」，而ARM早就是工業的產品。可能會有人會說，RISC-V至少是中國晶片自主的希望，繼續依靠ARM，只會在物聯網時代繼續被「卡脖子」。但這種說法是站不住腳的，RISC-V的發明者和主導者依舊是美國，中國依舊只是跟班。其次，對於一家公司而言，出於趨利避害的考慮，都更願意採用性能更為強大、開發流程更為簡單、開發環境更為成熟的ARM核，畢竟公司不像個人，可以空談「情懷」。只要ARM繼續加大開源的力度，為開發者提高更為友好的開發環境，物聯網企業就會集體擁抱ARM。

最後，有一個很現實的問題，那就是雖然國家一直在說「晶片自主」，但是對於這個行業投入一直是不夠的。計算機的從業者薪水要比微電子的從業者高很多，這只會把行業人才往計算機趕，畢竟微電子轉計算機是很容易的。晶片企業實際上也基本沒從國家那裡拿到什麼政策補貼，大家沒有研發經費，更沒有自主研發的動力，也就只能「能買就買」。所以，我覺得「晶片自主」很長一段時間也就是個口號，中國晶片產業落後國外十幾年，想要追趕是需要非常大的投入的。在國家真正下定決心發展晶片產業之前，企業只會拿腳投票，ARM開發無疑是更好的選擇。個人也只會拿腳投票，晶片行業的人才流失只會繼續發生。

當然，關於RISC-V處理器的討論就有點偏題了（PS:來自微電子學生的吐槽），我這裡要討論的是DesignStart計劃對FPGA開發的影響才對。Cortex-M0/M4核的開源，使得ARM從FPGA開發商手裡接過了SOPC的接力棒，Nios-II和MicroBlaze也完成了它們的歷史使命，逐漸淡出人們的視野。傳統的FPGA開發時代也徹底終結了，新時代的FPGA開發主要可分為兩種：一種是開發板上本來就有硬核CPU，提供CPU+FPGA的開發環境；另一種是開發板上沒有硬核，但我們可以通過使用ARM開源出來的verilog文件，用FPGA的邏輯和資源搭建出一個軟核CPU，也能構建起CPU+FPGA的開發環境。如果說，ZYNQ橫空出世的時代，由於軟核+FPGA的開發模式還不夠完善，還存在「純粹"的FPGA開發。那麼，到這時，FPGA徹底「邊緣化」了，它徹底成為了ARM CPU的大型外設，只是默默地做著自己擅長的計算工作，整個開發流程完全由CPU主導。

但是，也正是這樣，FPGA走出了微電子這個小圈子，引起了越來越多的人的注意。為了方便軟體開發者使用，Xinlinx和Altera先後推出了HLS（High-Level Synthesis），使得由軟體代碼綜合出數字電路成為門檻，大大地降低了FPGA開發的門檻。雖然HLS的效率還遠比不上直接使用verilog或VHDL進行RTL級設計，但它至少提供了一種可能。與此同時，由於ARM開源了Cortex-M3/4處理器，極大地降低了開發超高能效SoC的門檻，計算機和微電子交叉的SoC設計也逐漸在高校和行業內成為新的熱門研究方向。DesignStart計劃的故事結束了嗎?當然還沒有，我們有理由相信ARM會進一步開源，繼續降低開發門檻和減小開發成本。如果說，PC時代屬於英特爾，移動時代屬於ARM，那麼物聯網時代也仍將屬於ARM。

四.寫在最後

今天是本人生日，我還在這裡碼字寫文章，真的是太慘了（PS:工科狗他只配和實驗室在一起，狗頭保命）！作為1個微電子的研究生，面對行業的發展，我不可能不關心，我也有很多自己的看法，這也是我寫這篇文章的原因。數位訊號處理……這些是沒法交給ARM核去做的。還有考慮到成本問題，不搭載ARM核的FPGA也是有市場存在價值的，但是走量的話又導向ASIC。還有就是考慮電路性能的話，HDL還是比較好的。這就導致FPGA工程師的存在比較尷尬，方向和崗位少，開發難度高。這種搭載硬核的FPGA的應用方向還是比較少的，一般是高端方向，比如雷達、高速信號處理……。大學上選修課的時候應該是用過zynq晶片，那時用的實驗箱，只記得要做Linux裁剪，課程名還叫SOPC來著，不過這麼重要的課程竟然被當做選修課來教，當時也沒當回事，甚至不知道那是用來幹什麼的，就驅動驅動電機……