FPGA基础知识及设计和执行FPGA应用所需的工具
FPGA基础知识及设计和执行FPGA应用所需的工具
FPGA（现场可编程门阵列）是一种独特的集成电路，它结合了硬件的灵活性和软件的可编程性，为现代计算提供了强大的解决方案。本文将详细介绍FPGA的基础知识、工作原理、应用领域以及编程方法，帮助读者全面了解这一重要技术。
什么是FPGA以及为什么使用FPGA？
FPGA是一种可配置逻辑块（CLB）和其他用户可编程特性的集成电路（IC）。与传统IC不同的是，FPGA在制造后仍可进行功能调整，这种“现场可编程”特性使其在多种应用场景中展现出独特优势。
图1：Altera Agilex 9、7、5 和 3 FPGA 家族
FPGA的核心优势在于其硬件灵活性。与CPU和GPU相比，FPGA能够并行处理大量数据，且性能提升可达20倍以上。这种灵活性使得FPGA在需要实时信息处理的场景中表现出色，如数据中心、航空航天、国防、人工智能、工业物联网等领域。
FPGA的用途与应用
FPGA广泛应用于需要实时信息处理的场景。例如，家庭安防摄像头需要将高分辨率图像以最小延迟传输到用户的智能设备。此外，FPGA还能加速原本在软件中完成的功能，如人工智能的深度神经网络（DNN）推断。
FPGA和硬件加速
FPGA的架构使其成为硬件加速的理想选择。与ASIC和GPU不同，FPGA不需要在内存和编程之间切换，这使得数据存储和检索过程更高效。FPGA的灵活性允许用户根据任务需求调整电源和内存等基本功能。
图3：Xilinx KCU1500 万兆网络硬件加速卡
FPGA编程是怎样进行的？
FPGA编程使用硬件描述语言（HDL）来操控电路。这个过程不同于对GPU或CPU的编程，因为FPGA编程不是按顺序执行代码，而是通过HDL创建电路并物理修改硬件。这种编程方式虽然复杂，但提供了极高的灵活性。
FPGA编程语言
虽然FPGA编程传统上被视为硬件工程师的领域，但随着统一软件平台的发展，软件开发人员也能使用他们熟悉的语言进行FPGA编程。主流的FPGA编程语言包括：
- TensorFlow和PyTorch等AI框架
- C和C++
- Python
- Lucid、VHDL、Verilog等传统HDL
如何编程FPGA
对于习惯于GPU编程的开发者来说，FPGA编程的过程会感觉相似。主要步骤包括编写代码、翻译成较低级语言、转换为二进制文件，最后将程序加载到FPGA中。
使用Vitis统一软件平台简化FPGA编程
Vitis统一软件平台是AMD推出的一款工具，旨在简化FPGA编程过程。它包括一个优化的开源库、内核开发套件以及针对MATLAB和Simulink的工具套件。使用Vitis，开发者可以按照以下步骤设计加速器：
- 确定需要加速的性能关键部分
- 使用Vitis加速库或自定义语言开发加速器
- 构建、分析和调试
- 在边缘、本地或云端部署加速应用
图4：支持PCIe Gen4 ×16的VectorPath加速卡
结语
FPGA作为一种独特的可编程硬件，正在越来越多的领域展现出其独特优势。随着统一软件平台的发展，FPGA编程正变得越来越简单，这为软件开发人员提供了新的机遇。无论是硬件工程师还是软件开发人员，都可以通过学习FPGA编程，为未来的计算需求提供更高效的解决方案。