FPGA 101：新手指南

如果您是二元思維的讀者，別擔心，您沒有錯過第 1 到第 4 部分。我將在本文中簡單介紹我最喜愛的電子元件：現場可編程閘陣列 (FPGA)。每當我跟人談起 FPGA，經常聽到這樣的聲音：「我不知道它們如何運作」、「它們太複雜了」，或「我無法用 C 語言對它們進行程式設定」。我不願見到這麼好的元件竟如此輕易遭人排除，因此決定嘗試解答以下一些常見問題。

什麼是現場可編程閘陣列？

以下是詳細的回答：從名稱來看，我們可能會推斷它是邏輯閘的一種可編程結構。意思雖然接近，但並不準確，因為內部邏輯陣列實際上並未用閘實作。其實我們是將陣列中的區塊稱為邏輯元素。這些區塊通常包括一個實作任意邏輯功能的查找表 (LUT)，以及一些支援電路，例如多工器、加法器，以及正反器。您常會聽到此邏輯元素陣列被稱為「FPGA 結構」。

圖 1：FPGA 邏輯元素的範例。(圖片來源：Wikimedia Commons)

簡單來說，我把 FPGA 想像成一盒彩色、未註冊商標的建置區塊，可用於打造數位電路。我可以根據我的應用需求，以任何想要的方式將區塊連接。只要您能描述數位電路的行為，就能使用足夠的邏輯元素在 FPGA 內建立電路。需要 25 個 PWM 輸出？沒問題。需要特殊通訊協定？可寫入某個硬體來處理。

我為何會需要 FPGA？

FPGA 可用於實作數位系統，但用一個簡單的微控制器往往也能達到同樣的效果。微控制器價格實惠，並且易於放置在 PCB 上。FPGA 是強大的工具，但不一定每個案例都非常適用。這種元件對於功率、佈局和外部電路都有較高的要求，可能令人望而卻步。採用 FPGA 之下價格昂貴得多，又有許多特殊要求，似乎是一種荒謬的想法。

您可能已經猜到需要採用 FPGA 的第一個理由：彈性。當您具備可設定的邏輯區塊，便意味著永不必受制於硬體。只要有邏輯元素就能創造更多的計時器或 UART，因此您永遠不會用盡計時器或 UART。隨著技術和要求的改變，一段時間後能夠重新配置，因此還能延長產品的生命週期。

第二個理由是速度。微控制器是循序逐一地執行指令。FPGA 結構由於其硬體的性質，本質上可作業並行。如此可允許同時進行多項作業，這對於 FFT 或圖形處理等在循序處理器上較昂貴的操作格外適用。FPGA 還具有比典型微控制器更多的高速 I/O 選項 (如 LVDS)，以及能夠達到 10+ Gbps 的收發器 (適用於 HDMI 等協定)。

如何對 FPGA 進行編程？

FPGA 使用一種名為 HDL 的特殊語言，即硬體描述語言 (Hardware Description Language)。該語言有兩大主流：Verilog 和 VHDL。幾乎每個開發套件 (例如 Quartus 或 Vivado) 都同時支援這兩種語言，因此決定使用哪一種全依偏好。然後，這些語言就會進行「合成」，如同微控制器的編譯。合成工具會告訴 FPGA 如何連接其邏輯元素以建立您的程式碼所描述的效果。請牢記，當您第一次開始使用時，您的程式碼是要轉換成硬體，而不是 CPU 指令。

為使開發工作更加輕鬆，FPGA 廠商會向您提供一份型錄，內有能輕易放入設計中的常用程式碼區塊，包括乘法器、RAM、通訊區塊等等。您完全不必檢視相關的 HDL 程式碼就可對其進行設定並加入至您的設計，從而加快您的開發時間。

圖 2：部分方塊圖，顯示 Xilinx 型錄和 HLS 的 IP 區塊。(圖片來源：eewiki.net)

部分廠商還提供高階合成 (HLS) 工具，能將以 C 或 C++ 語言所撰寫的功能轉換成 HDL 程式碼的區塊。使用這些工具能抽除一些低階詳細資料，為具有軟體背景的開發人員降低進入的門檻。

還是不太信服？對於 FPGA，我最喜愛的功能之一就是能夠使用軟式處理器。這是一個以 FPGA 的邏輯元素所建置的完整處理器。利用軟式處理器，您可為處理器建置自訂的支援硬體，並以 C 語言撰寫您的應用。您只需要幾分鐘時間，就能設置簡單的軟式處理器系統並完成編程。若您還是需要傳統處理器，可以考慮在單一封裝中納入 FPGA 和硬式 ARM 處理器的 SoC。

總而言之，與典型的微控制器相比，FPGA 價格更高，使用起來也較難，但在需要的時候能提供高出許多的功率和彈性。隨著技術的進步，以及 FPGA 在更高的整合層級之下變得較不昂貴，它們甚至可以取代傳統的微控制器。因此，上述只要有任何一點您感興趣，不妨現在就開始使用 FPGA 以便搶得先機。若您想尋找一款低成本開發板來開始使用，請查看我們各家 FPGA 供應商的下列精選電路板：Terasic 的 DE10-Lite、Digilent 的 Arty、Lattice 的 Mobile Dev Board，或 Microsemi 的 Maker Kit。