详解嵌入式软件开发到FPGA开发
写在最前面：
没错，我就是一名普普通通的工程师，有那么一两项能养活自己的技术。技术这个东西，如果只是用在工作岗位上的话，就是一个“搬砖”的工具，如果把它分享出来，没准还能碰撞出有意思的东西来，你们说是吧？
好了，这一系列博文教程叫做“fpga软硬件加速入门”，顾名思义，就是利用fpga本身的特点，在软硬件进行不同的系统分工，加速系统输出的速度（主要是计算），我会尽量从入门者的角度讲解相关内容，如果你觉得还行，挺受用，动一动手指，帮忙转发一下，不胜感激啦~
一、 从嵌入式软件开发到fpga开发
1.1 单片机开发流程浅析
在开始介绍fpga之前，让我们来回顾一下简单的嵌入式软件开发吧，相信大家或多或少都接触过单片机（micro control unit）的设计流程。作为一个简单的控制器，单片机的工作流程无非如下：
1、 单片机上电，程序从存储器中加载到mcu内部；
2、 根据单片机的输入（如键盘输入、传感器数据的读取等）、以及程序内部的逻辑，计算得到控制结果；
3、 将结果输出，控制单片机的外部设备（如led的亮灭、控制电机转速的pwm波形等）；
也就是说，一个简单的单片机工作系统的构成如下：
而为了搭建上面的这样一个系统，我们在软件方面需要做的事情包括下面这几部分：
1、 代码编辑，这里主要包括输入输出设备驱动和内部的控制逻辑；
2、 代码编译，将源文件（.c或.cpp）转化为指定单片机可执行的二进制文件；
3、 可执行文件烧写，将二进制文件固话到单片机（内部或外部）的存储器中；
上面三个步骤，我们一般是在各种ide（integrated development environment）开发环境下实现的，也就是说在一个软件里面实现编辑、编译、烧写的功能，常见的ide软件如下：
1.2 从单片机开发到fpga开发
1.2.1 fpga的基本工作原理
在进行fpga开发之前，我们必须得了解为什么要使用fpga，也就必须得知道fpga的工作原理。我们知道，对于一个简单单片机系统来说，工作原理和上文描述一样，也就是说，对于一个简单的让led闪烁的功能，单片机要做的事情如下：
1、 从（内部或外部）的程序存储器中，取出一条让led点亮的指令；
2、 将该指令输入到cpu的指令译码器中，根据译码器的结果（此处是将控制led的gpio的输出寄存器的bit位拉高）控制相应寄存器；
3、 加载下一条延时指令，输入到译码器中，进行空操作处理；
4、 继续加载下一条让led灭的指令，译码后，控制gpio总线上的指定bit位拉低，从而熄灭led；
5、 循环上述操作达到闪烁led的目的；
通过上面闪烁led的例子，我们可以知道，对于单片机来说，它的核心有2点：
指令的加载、译码——其实也就是对指令集的解析，知道这一条语言到底进行了什么硬件上的操作，后面章节会详细的解释；
外设的控制——可以通过写寄存器控制单片机的外设，如gpio、uart、spi、iic等；
那么对于fpga而言呢？
无论是fpga、单片机，又或是arm系统、我们的pc，其实本质上就是一个计算平台，是一个信息处理系统。作为一个系统，它的输入、计算、输出的构成是永远不会变的。那变的是什么？变得是计算的原理。
对于单片机而言，取指、译码、输出是它的原理，那么对于fpga而言，它的原理又是什么？在介绍之前，我们先回顾一下《数字电路》这门课里面的基础内容——组合逻辑和时序逻辑电路。
d触发器是时许逻辑电路的基本组件，与、或、非们是组合逻辑电路的基本组建。利用这些组建我们可以实现很多小的功能。
比如，通过d触发器我们可以设计一个计数器：
比如，我们可以通过简单的组合逻辑来实现一个比较器
讲到这里，大家可能已经知道了，这两个简单的逻辑电路其实能够构成一个让led闪烁的简单系统。我们只需要将计数器的输出作为比较器的x输入，而另外一个固定的电平值（比如说8）作为y输入，那么每当x=y的时候，比较器的x=y都会输出一个高电平。而将x=y的输出作为另一个1位计数器的输入的时候，便会产生这么一个效果——每过8个时钟周期后，最后输出的电平就会反转一次，达到led闪烁的效果，整个电路的构成如下：
为什么在这里要讲led闪烁的数字电路构成呢？因为这正是fpga的工作原理！fpga全程field programmable gate array（现场可编程门阵列），这个“门”指的就是fpga内部芯片的主要组成部分——庞大数量的寄存器和门电路（详细的构成后面章节会介绍）。
至此，我们可以对比出单片机开发和fpga工作原理了。它们的异同点如下表：
1.2.2 为什么要用fpga
前面我们说到一个简单的控制led的例子，知道了整个流程是取指、译码、控制外设的流程。对于一个led电频翻转来说，mcu当然是足够的，我们思考一下以下几个问题：
1. 如果我要输出高清的60帧/s的1080p视频信号给显示器怎么办？用gpio控制？
2. 如果我要进行运算量非常大的程序，比如现在非常火的ai网络训练，涉及到大量的乘法、加法，用mcu？pc？
回答了上述几个问题也就解释了为什么要用fpga了。我们来挨个解释一下：
1. 用gpio翻转输出一个指定的电平需要几十个时钟周期（mcu的clock频率），如果我要输出一个60帧、1080p的视频信号的话（其实也是电平的控制），那么翻转的频率可能要达到百兆的速度了，如果使用mcu这种方式的话，mcu要达到几ghz的主频了，这显然是不现实的。而根据上面fpga的电平翻转的原理，d触发器的时钟频率只需要百兆就可以了；
2. 计算机基础告诉我们，无论是mcu还是pc的cpu，内部都有相应的乘法器和加法器。如果设计到大量的计算的话，单个乘法/加法器哪怕主频再高，计算速度也跟不上。而对于fpga来说，可以仿照上面计数器、比较器的方式，设计几十个、几百个甚至几千个计算单元，哪怕主频比cpu低很多，计算速度也远高于cpu。二者的关系可以用下图形象地表示：
fpga开发流程
二、fpga开发流程
fpga的开发有一个特点，即开发环境和使用的芯片有非常强的关联性。不像单片机开发的ide，一个开发套件可以适配几十上百家不同的单片机（各种51、pic、stm32等）。但目前主流的fpga芯片只有2家——xilinx（赛灵思）和altera（后被intel收购，我们姑且称之为英特尔的fpga吧）。
这系列博文主要集中在xilinx的fpga芯片及其相应的开发套件vivado上。
以比较常见的stm32系列单片机和集成开发环境keil为例，我们来对比一下单片机开发和fpga开发的流程。
可以看到，相对于单片机（更不用说普通的pc软件开发了），fpga的开发流程复杂了许多。工程么，不就是各种tradeoff，开发便利和计算性取舍，就是后话了~
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没错，我就是一名普普通通的工程师，有那么一两项能养活自己的技术。技术这个东西，如果只是用在工作岗位上的话，就是一个“搬砖”的工具，如果把它分享出来，没准还能碰撞出有意思的东西来，你们说是吧？
好了，这一系列博文教程叫做“fpga软硬件加速入门”，顾名思义，就是利用fpga本身的特点，在软硬件进行不同的系统分工，加速系统输出的速度（主要是计算），我会尽量从入门者的角度讲解相关内容，如果你觉得还行，挺受用，动一动手指，帮忙转发一下，不胜感激啦~
一、 从嵌入式软件开发到fpga开发
1.1 单片机开发流程浅析
在开始介绍fpga之前，让我们来回顾一下简单的嵌入式软件开发吧，相信大家或多或少都接触过单片机（micro control unit）的设计流程。作为一个简单的控制器，单片机的工作流程无非如下：
1、 单片机上电，程序从存储器中加载到mcu内部；
2、 根据单片机的输入（如键盘输入、传感器数据的读取等）、以及程序内部的逻辑，计算得到控制结果；
3、 将结果输出，控制单片机的外部设备（如led的亮灭、控制电机转速的pwm波形等）；
也就是说，一个简单的单片机工作系统的构成如下：
而为了搭建上面的这样一个系统，我们在软件方面需要做的事情包括下面这几部分：
1、 代码编辑，这里主要包括输入输出设备驱动和内部的控制逻辑；
2、 代码编译，将源文件（.c或.cpp）转化为指定单片机可执行的二进制文件；
3、 可执行文件烧写，将二进制文件固话到单片机（内部或外部）的存储器中；
上面三个步骤，我们一般是在各种ide（integrated development environment）开发环境下实现的，也就是说在一个软件里面实现编辑、编译、烧写的功能，常见的ide软件如下：
1.2 从单片机开发到fpga开发
1.2.1 fpga的基本工作原理
在进行fpga开发之前，我们必须得了解为什么要使用fpga，也就必须得知道fpga的工作原理。我们知道，对于一个简单单片机系统来说，工作原理和上文描述一样，也就是说，对于一个简单的让led闪烁的功能，单片机要做的事情如下：
1、 从（内部或外部）的程序存储器中，取出一条让led点亮的指令；
2、 将该指令输入到cpu的指令译码器中，根据译码器的结果（此处是将控制led的gpio的输出寄存器的bit位拉高）控制相应寄存器；
3、 加载下一条延时指令，输入到译码器中，进行空操作处理；
4、 继续加载下一条让led灭的指令，译码后，控制gpio总线上的指定bit位拉低，从而熄灭led；
5、 循环上述操作达到闪烁led的目的；
通过上面闪烁led的例子，我们可以知道，对于单片机来说，它的核心有2点：
指令的加载、译码——其实也就是对指令集的解析，知道这一条语言到底进行了什么硬件上的操作，后面章节会详细的解释；
外设的控制——可以通过写寄存器控制单片机的外设，如gpio、uart、spi、iic等；
那么对于fpga而言呢？
无论是fpga、单片机，又或是arm系统、我们的pc，其实本质上就是一个计算平台，是一个信息处理系统。作为一个系统，它的输入、计算、输出的构成是永远不会变的。那变的是什么？变得是计算的原理。
对于单片机而言，取指、译码、输出是它的原理，那么对于fpga而言，它的原理又是什么？在介绍之前，我们先回顾一下《数字电路》这门课里面的基础内容——组合逻辑和时序逻辑电路。
d触发器是时许逻辑电路的基本组件，与、或、非们是组合逻辑电路的基本组建。利用这些组建我们可以实现很多小的功能。
比如，通过d触发器我们可以设计一个计数器：
比如，我们可以通过简单的组合逻辑来实现一个比较器
讲到这里，大家可能已经知道了，这两个简单的逻辑电路其实能够构成一个让led闪烁的简单系统。我们只需要将计数器的输出作为比较器的x输入，而另外一个固定的电平值（比如说8）作为y输入，那么每当x=y的时候，比较器的x=y都会输出一个高电平。而将x=y的输出作为另一个1位计数器的输入的时候，便会产生这么一个效果——每过8个时钟周期后，最后输出的电平就会反转一次，达到led闪烁的效果，整个电路的构成如下：
为什么在这里要讲led闪烁的数字电路构成呢？因为这正是fpga的工作原理！fpga全程field programmable gate array（现场可编程门阵列），这个“门”指的就是fpga内部芯片的主要组成部分——庞大数量的寄存器和门电路（详细的构成后面章节会介绍）。
至此，我们可以对比出单片机开发和fpga工作原理了。它们的异同点如下表：
1.2.2 为什么要用fpga
前面我们说到一个简单的控制led的例子，知道了整个流程是取指、译码、控制外设的流程。对于一个led电频翻转来说，mcu当然是足够的，我们思考一下以下几个问题：
1. 如果我要输出高清的60帧/s的1080p视频信号给显示器怎么办？用gpio控制？
2. 如果我要进行运算量非常大的程序，比如现在非常火的ai网络训练，涉及到大量的乘法、加法，用mcu？pc？
回答了上述几个问题也就解释了为什么要用fpga了。我们来挨个解释一下：
1. 用gpio翻转输出一个指定的电平需要几十个时钟周期（mcu的clock频率），如果我要输出一个60帧、1080p的视频信号的话（其实也是电平的控制），那么翻转的频率可能要达到百兆的速度了，如果使用mcu这种方式的话，mcu要达到几ghz的主频了，这显然是不现实的。而根据上面fpga的电平翻转的原理，d触发器的时钟频率只需要百兆就可以了；
2. 计算机基础告诉我们，无论是mcu还是pc的cpu，内部都有相应的乘法器和加法器。如果设计到大量的计算的话，单个乘法/加法器哪怕主频再高，计算速度也跟不上。而对于fpga来说，可以仿照上面计数器、比较器的方式，设计几十个、几百个甚至几千个计算单元，哪怕主频比cpu低很多，计算速度也远高于cpu。二者的关系可以用下图形象地表示：
fpga开发流程
二、fpga开发流程
fpga的开发有一个特点，即开发环境和使用的芯片有非常强的关联性。不像单片机开发的ide，一个开发套件可以适配几十上百家不同的单片机（各种51、pic、stm32等）。但目前主流的fpga芯片只有2家——xilinx（赛灵思）和altera（后被intel收购，我们姑且称之为英特尔的fpga吧）。
这系列博文主要集中在xilinx的fpga芯片及其相应的开发套件vivado上。
以比较常见的stm32系列单片机和集成开发环境keil为例，我们来对比一下单片机开发和fpga开发的流程。
可以看到，相对于单片机（更不用说普通的pc软件开发了），fpga的开发流程复杂了许多。工程么，不就是各种tradeoff，开发便利和计算性取舍，就是后话了~
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