作者：Kenton Williston

投稿人：DigiKey 北美編輯

資源受限的嵌入式系統(tǒng)對可配置邏輯的需求與日俱增。邊緣 AI、機器視覺和工業(yè)自動化等應用需要靈活的應用特定邏輯，以滿足不斷變化的性能需求，同時在嚴格的功耗、尺寸和成本限制內(nèi)運行。現(xiàn)代現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 可以滿足這些相互競爭的需求。

本文回顧了為資源受限型應用選擇 FPGA 時需要考慮的關(guān)鍵設計標準。然后，以 [Altera] 經(jīng)過[功率和成本優(yōu)化的 FPGA] 產(chǎn)品組合為例，說明不同產(chǎn)品線如何與應用特定場景相匹配。最后重點介紹了可用于設計概念原型開發(fā)和驗證的開發(fā)套件和評估板。

選擇 FPGA 時應注意的事項

為資源受限型系統(tǒng)選擇 FPGA 需要考慮多種設計要求，并按照這些要求匹配正確的解決方案。有多個關(guān)鍵的 FPGA 特性需要考慮：

邏輯元件 (LE) 容量 ：作為 FPGA 的基本構(gòu)件，邏輯元件的數(shù)量決定了可以實現(xiàn)多少定制邏輯。數(shù)量越高設計就越復雜：折衷的辦法是增加功率、成本和封裝尺寸。

I/O 和存儲器 ：FPGA 通常用于連接系統(tǒng)中的不同組件，因此 I/O 引腳的數(shù)量是一個重要的考慮因素。為了提高 I/O 性能，許多 FPGA 為 PCI Express (PCIe)、高速存儲器和千兆位收發(fā)器等接口集成了強化的固定邏輯塊。

此外，一些 FPGA 還集成了模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 和閃存等元件。這些增強元件可減少對配套芯片的需要，從而節(jié)省了電路板空間并提高了能效。

處理器集成： 可以在 FPGA 內(nèi)實現(xiàn)“軟”微處理器單元 (MPU)，而不是使用外部處理器。這種方法可以減少系統(tǒng)的尺寸，但最適合對 MPU 工作負載要求不高的應用。

對于需要 MPU 具有更快速度、更高效率的應用，設計人員可以考慮使用帶有硬核處理器系統(tǒng) (HPS) 的 FPGA，將 MPU 作為 FPGA 中的固定邏輯塊來實現(xiàn)。

硬件加速器： FPGA 通常包含專用數(shù)字信號處理 (DSP) 塊，可有效處理像運動控制這樣的計算密集型任務。高端設備可能會配備專門用于 AI 工作負載的張量塊。這些加速器塊的功能在不同的 FPGA 系列中差別很大，會極大地影響系統(tǒng)的整體性能。

封裝和功率優(yōu)化 ：有些 FPGA 專門設計用于最大限度地減少物理和電氣占用空間。例如，它們可以提供低功耗睡眠模式。

工具 ：創(chuàng)建自定義邏輯是一項艱巨的挑戰(zhàn)，尤其是對于新手設計人員而言。Altera 的 [Quartus Prime] 設計軟件等工具的出現(xiàn)簡化了這一過程。

Quartus Prime 提供了對開發(fā)人員友好的體驗、廣泛的預建邏輯塊目錄以及自動將這些邏輯塊互連的能力，從而使 FPGA 設計更加易于實現(xiàn)。該工具集成了常用的 AI 和機器學習 (ML) 工作流，能夠讓使開發(fā)人員在 FPGA 上部署 Linux 和 Zephyr 等流行的操作系統(tǒng) (OS)。

上述功能可大大加快 FPGA 的設計速度，因此在選擇器件時，工具功能也是一個重要的考慮因素。

面向高級嵌入式工作負載的高性能計算

為了說明設計要求如何影響 FPGA 的選擇，不妨從需要超高計算密度、帶寬和集成度的高端應用入手。下面我們以高級邊緣 AI 應用和高性能工業(yè)網(wǎng)關(guān)為例作詳細分析。

[Agilex 3] FPGA（圖 1）專為滿足這些應用需求而設計，可提供最高 135K LE。這些芯片有純 FPGA 和片上系統(tǒng) (SoC) 兩種類型。SoC 器件集成了雙核 800 兆赫 (MHz) [Arm?] Cortex?-A55，能夠讓 FPGA 處理復雜的軟件堆棧，如人機界面 (HMI) 或網(wǎng)絡堆棧。

這種可編程結(jié)構(gòu)具有 AI 張量塊，能夠提供高達每秒 2.8 萬億次 INT8 運算 (TOPS)。這些張量塊支持各種計算格式，包括 FP16、FP19、FP32 和 BFLOAT16，并進行了優(yōu)化，實現(xiàn)了對 AI 工作負載的高效執(zhí)行。此外，還包括可變精度 DSP 塊，為通用信號處理提供高達每秒 180 千兆次浮點運算 (GFLOPS) 的性能。

圖 1：Agilex 3 以其高性能 DSP 和 AI 張量模塊而著稱。（圖片來源：Altera）

高速連接是 Agilex 3 架構(gòu)的另一個優(yōu)勢。收發(fā)器支持高達每秒 12.5 千兆比特 (Gb/s) 的數(shù)據(jù)傳輸速率，并提供用于 PCIe 3.0、萬兆位以太網(wǎng) (GbE) 和 LPDDR4 存儲器接口的強化 I/O 塊。對 IEEE 1588 精確時間同步的支持進一步增強了其對實時工業(yè)網(wǎng)絡的適用性。

[A3CZ135BB18AE7S] 器件展示了該系列的功能。它包括 135K LE、184 個 DSP 塊，并提供 2.54 TOPS。

復雜系統(tǒng)的高級集成

對于工業(yè)自動化和中程視覺系統(tǒng)等應用而言，原始計算能力的重要性可能不如對帶有大量定制邏輯和 I/O 的復雜配置的支持能力。[Cyclone V] FPGA 非常適合這些應用場景，提供最高 300K LE 和廣泛的高速接口。與 Agilex 3 一樣，這些芯片也有純 FPGA 和 SoC 兩種變型。其中 SoC 器件集成了雙核 Arm Cortex-A9。

這些芯片中的可編程結(jié)構(gòu)包括可變精度 DSP 塊，支持三重 9 × 9 和雙重 18 × 18 定點乘法，以及 27 × 27 定點或浮點乘法。這些塊可用于高級信號處理和 AI。

廣泛的 I/O 組合支持多種電壓等級和接口類型。強化邏輯塊可實現(xiàn)先進的高速連接，包括 PCIe 2.0、DDR3 控制器和收發(fā)器，運行速度高達 6.144 Gb/s。

開發(fā)人員可以使用 [DK-DEV-5CSXC6N-B 開發(fā)套件] 評估 Cyclone V SoC 系列（圖 2）。該套件專為快速開發(fā)復雜的高吞吐量系統(tǒng)原型而設計。

圖 2：DK-DEV-5CSXC6N-B Cyclone V 開發(fā)套件支持高性能原型開發(fā)。（圖片來源：Altera）

該套件有幾個顯著特性：

• 雙以太網(wǎng)端口、PCIe x4 連接器和高速夾層卡 (HSMC)，每個方向有 16 個 LVDS 通道
• USB 2.0 OTG、CAN、UART 和雙行文本 LCD 接口
• FPGA 側(cè)和 HPS 側(cè)各 1 千兆字節(jié) (Gb) DDR3 SDRAM、128 兆字節(jié) (Mb) 四通道 SPI 閃存和 4 Gb microSD 卡

該電路板采用 [5CSXFC5D6F31C8N] 器件，包括一個運行頻率為 600 MHz 的雙核 Arm Cortex-A9 處理器、85K LE、87 個 DSP 塊和 288 個 I/O 引腳，封裝為 31 mm × 31 mm 的 896-FBGA。

采用緊湊型封裝的高能效可配置邏輯器件

許多應用都受到空間和功耗的嚴格限制。例如傳感器接口、電源定序和外設控制。[MAX 10] 系列等 FPGA 為這些情況提供了有效的解決方案。MAX 10 器件的配置從 2K LE 到 50K LE 不等，封裝尺寸小至 3 mm × 3 mm。

主要功能包括多達兩個集成式 12 位 ADC、一個 DDR3 存儲器接口以及支持 18 × 18 和雙重 9 × 9 定點模式的乘法器模塊。支持雙圖像存儲的片上閃存允許 FPGA 在沒有外部存儲設備的情況下進行自我配置。

省電功能是 MAX 10 系列最顯著的屬性之一。內(nèi)置睡眠模式可將動態(tài)功耗降低 95% 。借助片上閃存，器件還可在 10 毫秒 (ms) 內(nèi)完全斷電并恢復運行。

單電源選項進一步簡化了供電。這使得 MAX 10 器件特別適合用于功率域可能需要先于系統(tǒng)其他部分聯(lián)機的監(jiān)控場合。

對 MAX 10 感興趣的開發(fā)人員可以使用 [EK-10M08E144] MAX 10 FPGA 評估板（圖 3）對該系列進行評估。該電路板可通過 [Arduino] UNO R3 連接器和測試點訪問外部信號，其布局設計可支持對 ADC 性能和整體電源行為的測量。

圖 3：EK-10M08E144 MAX 10 FPGA 評估板可輕松訪問關(guān)鍵 I/O。（圖片來源：Altera）

電路板采用 [10M08SAE144C8G] 器件，包括 8K LE 和一個 ADC，封裝為 144 引腳 LQFP。除內(nèi)置硬件資源外，該 FPGA 還支持基于 RISC-V 的 Nios V 軟處理器，無需外部微控制器單元 (MCU)，設計人員即可實現(xiàn)輕量級控制功能。

適合中程應用的均衡性能

有些應用需要更大的邏輯和 I/O 容量，而入門級 FPGA 無法提供。例如傳感器融合、運動控制和芯片到芯片橋接。[Cyclone 10 LP] FPGA 為滿足這些要求，在器件中提供了多達 120K 的 LE 和 525 個 I/O 引腳，并針對成本敏感型應用中的功率和帶寬平衡進行了優(yōu)化。

與 MAX 10 一樣，該系列包括適用于濾波、控制回路和基本 AI 推斷等工作負載的 DSP 塊。與 MAX 10 不同，Cyclone 10 LP 器件集成了真正的 LVDS 收發(fā)器和片上終端 (OCT)，以支持高速數(shù)字接口。

對 Cyclone 10 LP 感興趣的開發(fā)人員可以使用 [EK-10CL025U256] Cyclone 10 評估套件（圖 4）對該系列進行評估。該電路板提供 Arduino UNO R3 和 [Digilent] Pmod 連接器，擴展方便簡單。其他特性包括 GbE、USB 2.0、128 Mb SDRAM 和 64 Mb 閃存。

圖 4：EK-10CL025U256 Cyclone 10 評估套件支持輕松外設擴展。（圖片來源：Altera）

該電路板采用 [10CL025YU256C8G] 器件，包括 25K LE、66 個 DSP 塊和 150 個 I/O 引腳，封裝尺寸為 14 mm × 14 mm。與 MAX 10 一樣，Cyclone 10 LP 系列也支持 Nios V 軟處理器。

結(jié)語

現(xiàn)在，設計人員在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)定制邏輯時要比以往任何時候都更加靈活。高性能應用可從集成了 AI 加速器的 FPGA 中獲益。低功耗設計可以利用具有睡眠模式的器件。I/O 密集型系統(tǒng)可以利用具有大量引腳數(shù)和高速接口的芯片。重要的是，所有這些功能都可以通過易于使用的工具包，在資源受限型嵌入式系統(tǒng)的嚴格限制下實現(xiàn)。