【黑金云课堂笔记】第一~二期FPGA知识点总结

知识卡片一:

【FPGA 基础篇】开启硬件编程之门

  • FPGA 的本质 : FPGA(现场可编程门阵列)并非在运行软件程序,而是在构建电路本身 。用户可以通过 Verilog/VHDL 等硬件描述语言 ,在芯片出厂后随时重新配置其内部逻辑。

  • FPGA 的优势 : FPGA 最主要的优势在于可重构低延迟。与 CPU 的顺序执行不同,FPGA 是真正的硬件级并行架构,实现纳秒级响应和确定性的时延表现。

  • FPGA 基本结构: FPGA 由 CLB 逻辑单元(包含 LUT 查找表与触发器)、可编程互连布线、I/O 及配置存储组成。

  • FPGA 核心资源

    • CLB(逻辑单元): 由 LUT(查找表)和触发器组成,是实现复杂逻辑的基础。

    • 硬核资源: 包含用于高速缓存的 Block RAM、进行高性能运算的 DSP 单元、以及管理时钟的 PLL/MMCM、高速 Serdes 串行解串器。

*硬核资源的存在,使现代 FPGA 从"可编程逻辑"转变为"可重构计算平台"

  • SoC FPGA:

    • SoC FPGA 指 FPGA+ARM 处理器 的软硬件协同架构。ARM 处理器运行Linux/RTOS,负责管理控制、协议栈、用户界面,FPGA 负责高速数据处理,实现硬件加速、实时控制。SoC FPGA在嵌入式系统中非常常见,是FPGA发展的重要里程碑。
  • 当前 FPGA 技术趋势

    • 当前高端 FPGA 配备超高速接口(SerDes/光收发器等)、HBM存储、AI加速功能,已广泛应用于数据中心和 AI 推理,其角色发生了根本性转变。
  • FPGA 国内外厂商

    • 国外巨头: AMD Xilinx(行业开创者,生态最完善);Intel FPGA(原 Altera,深度整合数据中心生态);Lattice(低功耗专家)及 Microchip(航天级领导者)

    • 国产力量: 紫光同创(Titan 系列)、安路科技(Phoenix 系列)、高云、复旦微等

    • 国产特点: 政策驱动国产化替代,具备显著的价格竞争力(低 30%-50%)及本地化中文支持

  • AMD 产品系列

    • 纯逻辑板卡

      • Artix-7:低成本,低功耗

      • Kintex-7:性价比最优

      • Virtex-7:高端旗舰

      • Kintex ultrascale

      • Kintex ultrascale+

      • Virtex ultrascale+

    • Zynq 系列(SoC FPGA)

      • Zynq-7000(双核ARM Cortex-A9)

      • Zynq UltraScale+(四核A53+双核R5)

      • Zynq RFSoC(集成RF数据转换器)

  • AMD 开发工具

    • Vivado: 负责硬件综合、布局布线及调试的专业级 IDE

    • Vitis: 统一的软件开发平台,支持更高级别的软件编程与 AI 推理加速

    • IP Integrator: 通过图形化界面快速集成官方与第三方 IP 核

  • FPGA 典型应用

    • 通信/工业/医疗

    • 雷达与航空航天

    • AI 加速/数据中心

  • FPGA 开发"五步走"

    • 功能设计 → HDL 编码 → 仿真验证→ 综合与实现 → 下载配置
  • SoC FPGA:

    • SoC FPGA 指 FPGA+ARM 处理器 的软硬件协同架构。ARM 处理器运行Linux/RTOS,负责管理控制、协议栈、用户界面,FPGA 负责高速数据处理,实现硬件加速、实时控制。SoC FPGA在嵌入式系统中非常常见,是FPGA发展的重要里程碑。
  • 当前 FPGA 技术趋势

  • 当前高端 FPGA 配备超高速接口(SerDes/光收发器等)、HBM存储、AI加速功能,已广泛应用于数据中心和 AI 推理,其角色发生了根本性转变。

知识卡片二:

【ZYNQ 架构篇】双剑合璧的异构计算

  • 什么是 Zynq: 它将 PS(处理系统,通常是 ARM 处理器)与 PL(可编程逻辑,即 FPGA 部分)集成在单颗芯片上

    • ZYNQ 7000: 搭载双核 ARM Cortex-A9

    • ZYNQ UltraScale+ MPSoC: 升级为多处理器架构,拥有负责应用的 APU(四核 A53) 、负责实时控制的RPU(双核 R5F) 以及 GPU和视频编解码单元

  • ABMA总线: ZYNQ内部通信采用的是ABMA 总线架构,这是 ARM 定义的一套标准总线协议。支持多个Master(主设备)和多个Slave(从设备),支持并行访问。

  • 电源域(Power Domain):Zynq MPSoC被划分为电源域:

    • LPD(低功耗域)

    • FPD(高性能域)

    • PL(FPGA逻辑)

    • BPD(电池域)

*不同模块可以独立供电/关闭,更加节能,可靠性更高,支持不同运行模式

  • PS时钟系统: Zynq 内部有多个 PLL

    • LPD相关:

      • IOPLL→ 外设(UART / SPI)

      • RPLL → RPU

    • FPD相关:

      • APLL → APU(CPU)

      • DPLL → DDR

      • VPLL → 视频接口

*不同模块有独立时钟,可以独立调频,优化性能/功耗

  • PS-PL交互

    • PL 访问 PS: S_AXI_HP0_FPD

      *常用于图像处理/数据采集/AI加速

    • PS 访问 PL: M_AXI_HPMx_FPD

      *常用于控制寄存器/配置IP

    • 低功耗路径

      • S_AXI_LPD

      • M_AXI_HPM0_LPD

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