学习FPGA之四：FPGA开发方法-Toy模板网

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FPGA是一个很特殊的芯片，可能在2个月前，我还对它一无所知。我们熟知的芯片都是CPU，GPU，或者知道ASIC的概念。但实际上，FPGA已经走过了30个年头，它目前已经成为一个包含各种先进电路，逻辑单元，接口，芯片封装，制造等技术的“集大成者”。在硬件不断发展的同时，FPGA的开发软件和设计工具也在不断迭代和更新。基于硬件描述语言HDL，抽象出HLS（High-Level Synthesis)（翻译为高层次综合？怎么听起来都沉得别扭）技术，通过高层设计去隐藏很多底层逻辑和细节，让FPGA的开发更加简单。即使这样，FPGA的开发还是同CPU，GPU不一样，它需要设计者在一定程度上了解FPGA的内部架构，这样才能引导高层语言综合工具睡时到优化的系统性能。

一：开发FPGA的痛点

首先，FPGA的体量非常大，大得惊人，英特尔最新的Stratix10 GX 10M 有 433亿只晶体管，1020万个可编程逻辑单元，以及2304个可编程的I/O接口。这些数量庞大的晶体管组成了大量的可编程逻辑单元和查找表结构，大量运算单元，各种类型和大小的内存资源，高速串行I/O，多个嵌入式处理器，还有成百上午种不同功能的软核和硬核IP。因为可编程，可以通过定制实现极高吞吐量和极低的功耗。

当这么多硬件资源都集成到了一个芯片上，用户如何对这些硬件进行编程呢？

通常来说，我们要解决一个复杂问题，常用的办法就是分解任务，我们需要划分清楚哪些是在硬件上完成，哪些通过软件完成。在FPGA，这种分解非常困难和复杂。例如：哪部分用编程逻辑（硬件），哪部分使用片上的芯片。如何合理分配片上内存，内不足时，如何优化……

如何降低FPGA的开发难度，EDA软件一定要好用，所以，不管英特尔还是赛灵思，包括我了解的一个新创团队，都会在EDA软件团队上做大力投入，甚至做EDA软件开发的人员要多于FPGA本身的工程师数量。另外，业界也出现了大量的第三方公司，负责FPGA设计咨询公司，IP提供商，外包公司等……，业务已经发展产生了很多特定的分工。

当前，FPGA还在进入更多的市场，比如：嵌入式应用，5G和汽车市场，这些领域中的大多数开发团队都没有FPGA相关的设计专业知识和经验。而且，他们更多是纯软件开发，更多依赖于人工智能技术。这些也使得FPGA的开发难度被放大。

二：HLS——让软件工程师开发FPGA

HLS指的是通过EDA工具，将描述的逻辑结构转换成低抽象级语言描述的电路模型的过程。

这里，我不得不再强调一下HLS的概念，因为记不住，搞不太懂。

High-Level Synthesis 简称：HLS 指的是将高层次语言描述的逻辑结构，自动转换成低抽象级语言描述的电路模型的过程。有点象我们软件领域讲的 Java 语法在运行时，根据不同的机器翻译成不同的机器字节码。所谓高层次语言，通常指的是 C，C++，SystemC等，通常有点较高的抽象度，并且往往不具有时钟或时序的概念，相比之下，诸如Verilog，VHDL，SystemVerilog等低层次语言，通常用来描述时钟周期精准的寄存器传输级电路模型，这也就是当前ASIC或者FPGA设计最为普遍使用的电路建模和描述方法。

为什么要使用HLS？

1: 这是一个趋势。因为集成电路的复杂度太高，已经逐渐超过人类可以手工管理的范畴。使用RTL代码，代码行过多，不现实。而使用C，C++ 等高层语言，可以将代码缩至10%。