不费力的FPGA编程

twel2e · 发表于 2021-6-7 09:57

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现场可编程门阵列（FPGA）曾经因价格高昂而让许多编程爱好者可望却不可及，而近年来其价格已大幅降低，而且开始出现在各种小型项目中。FPGA具备可重构硬件的特点，可实现多种不同的使用方式，例如实现新异的CPU。不过从创客的角度来看，其主要吸引力来自处理大量输入/输出信号的电路能力。

我们可以很好地同步处理多个输入（例如一组麦克风或其他传感器输入），同时在不损失定时精度的前提下生成大量输出信号。我很羡慕那些基于FPGA的项目，其能力远超传统微控制器，例如，驱动9000个智能LED。不过我本人并不愿意钻研FPGA，因为除了价格之外，还存在另外一个入门障碍——学习怎样对它进行编程。传统上来说，FPGA编程使用的是专业的硬件描述语言（例如Verilog或VHDL）。不过SparkFun Electronics和Alchitry进行了全新的生产合作，承诺实现轻松的编程入门和硬件集成。于是我决定冒险一试，看看是否能实现这一目标。

作为一个测试项目，我决定建造动态雕塑，这在一定程度上受到了乔治•卡茨（George Cutts）电动雕塑作品《巨变》（Sea Change）的启发。去年我独自去纽约时，在户外的暴风国王艺术中心看到了这座雕塑。《巨变》使用了两个旋转的组件，这两个组件通过运动结合在一起。那么，我能用更多的单独控制可移动部件来实现它吗？

我花130美元购买了一个Alchitry Au套件，作为我项目的基础。套件包括核心的Alchitry开发板，配有3.3万个逻辑单元的Xilinx Artix 7 FPGA是它的特色。该开发板有8个内置LED，内存为256兆字节（MB），还有102个输入/输出插脚（运行电压为3.3伏）。此外，它还有一个Qwiic连接器，采用基于SparkFun的I2C协议物理接口的开放标准。有了这个连接器，它可轻松连接任一制造商生产的使用Qwiic接口的微控制器或传感器。
软件方面，套件使用了Alchitry Labs。Alchitry Labs是一种集成开发环境（IDE），可运行Xilinx Vivado程序包，由Vivado程序包创建实际的FPGA配置文件。需要强调的是，Vivado只能在Windows系统中运行（借助虚拟机，让它在我的Mac电脑上运行也没问题），另外免费版Vivado有一项强制报告功能，要求用户发回相关的设计信息（例如逻辑单元的使用数量），可能会有很多人觉得很不方便。
Alchitry Labs设计用于Alchitry Au和Alchitry Cu开发板编程。Alchitry Cu相对不那么复杂，价格较低，其FPGA只有7680个逻辑单元和79个输入/输出插脚，但有一个开源工具链支持。FPGA编程是通过Lucid语言完成的，该语言能够为新手提供一些安全防护，可以提供有用的高层次抽象概念。项目中预设了要求定义的必要功能（例如重置按钮、板载LED或串行接口）。点击库模块可添加附加组件，例如串行外设接口（SPI）、I2C、脉冲宽度调制及HDMI编码和解码等。

教程内容很丰富，但过于庞杂，需要整理。例如，我找到的使用伺服控制器的文档是针对Alchitry现在已停售的Mojo开发板的，输入/输出插脚的应用方式略有不同，但不是很难理解。其中很多内容都是基于Au套件附带的I/O Element开发板编写的，我用一组（极小的）指拨开关输入数字，得出的基本数学运算结果很快就在I/O Element板上的4个7段显示器上显示出来。
虽然我是一个FPGA新手，但是这些教程让我成功经历了从硬件编程到软件编写的思维转变。你不是在写一个程序，而是一个需要工具链处置的规范，更多要考虑的是组合优化，而不是时序逻辑。
我的雕塑包含18个垂直分布的伺服机，每一个伺服机都连接了一个水平杆，水平杆的两端分别安装了黑色和红色的方块，能够根据需要前后摆动。为什么是18个？使用连接了普通微控制器的外部伺服板，能够驱动16个伺服机，我想驱动更多系统，但是17这个数字好像太小气。增加伺服机本身就是一个挑战。每个伺服机首次通电都要先消耗1安电流，然后降到实际运行中的几百毫安。即使一次处理18安电流也不小了，我工作台的最大输出只有10安。我设计组装了一种应急电源，将这些伺服机分为2串，一串9个，然后为每串的5伏电源线增加手动开关，一次给一串电源通电。
幸运的是，这些伺服机将接受3.3伏的控制信号，我可以直接把它们连接到Au套件所包含的模型板上。模型板上有FPGA开发板，FPGA开发板能够控制伺服机。FPGA通过连接RedBoard Turbo微控制器上的Qwiic接口来接受指令，按照SparkFun使用的I2C协议运行一个计时器项目。RedBoard上安装了一个LCD键盘，并提供控制伺服图案的用户界面。最终，我做出了一个颇为吸引人的作品，但更重要的是，我现在有了在更多项目中使用FPGA的信心。目标达成。