FPGA国产化时代的教学探索_王鹏.pdf

信息化与计算机教育本栏目责任编辑：王 力Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第18期(2023年6月）第19卷第18期(2023年6月）FPGA国产化时代的教学探索王鹏，涂友超，龚克（信阳师范学院，河南 信阳 464000)摘要：FPGA的研发生产长期被美国垄断，近年来，我国涌现出了一批优秀的FPGA国产厂商，其产品在对标同类进口器件上并不落下风，并赢得了FPGA工程师的初步认可。可以说，FPGA未来逐步转向国产已是大势所趋，在此背景下，高校授课中转向国产FPGA十分有必要，在日常授课、学科竞赛培训环节中均采用了国产FPGA，并紧跟行业发展，设计了全新的训练案例，取得了较好的效果。关键词：FPGA；并发执行；高速处理；教学改革；创新实践中图分类号：G642.4 文献标识码：A文章编号：1009-3044(2023)18-0153-03开放科学（资源服务）标识码(OSID):0 引言近年来，随着我国综合国力和高科技领域实力的快速提高，电子信息产业取得了极大进步，但以美国为首的西方国家对我国的高科技产业持续打压，中兴、华为等公司频繁遭遇各种断供门，在国内外造成了严重影响，FPGA同样未能幸免。可喜的是，近年来国产厂商在FPGA市场取得了一定突破，存在感日益增强，出货量与市场占有率稳步提升，已可在许多应用场合中取代 Xilinx 和 Altera 芯片1。然而，高校的FPGA授课及实践环节仍然是Xilinx和Altera的天下（后分别被AMD和Intel收购，以下同），导致培养的大学生在走向工作岗位后也仍然习惯于使用这两家的FPGA产品，这对进一步巩固国内FPGA产业，培养更多的新生力量是十分不利的。针对上述情况，在信阳师范学院首创以国产FPGA为讲授内容，覆盖本科教学、研究生教学、创新实践项目、学科竞赛培训等多个环节，让学生真正体验到国产FPGA的进步，并紧跟行业发展趋势，以项目制为牵引，精心设计了一批全新的应用案例，真正发挥FPGA的强大性能，使学生直观感受到FPGA相比MCU的神奇之处，收到了很好的效果，同时也希望能与更多同仁一并探讨，共同为我国FPGA的发展贡献力量。1 国内FPGA现状与MCU相比，FPGA的定位更为高端，“小众”“昂贵”一直是FPGA的标签。自20世纪末开始，FPGA逐步进入中国市场，再加上Altera、Xilinx等公司推出的众多大学计划及校企合作实验室项目，几乎所有的大学FPGA课程均是以二者的FPGA为授课内容开展2，培养了一大批忠实用户，Altera和Xilinx在很短时间内就占据了国内市场的绝对主流，并进一步催生了各自生态圈的完善3。随着电子产业的飞速发展，我国的FPGA工程师数量已跃居世界之首4，在此背景下，一批国产FPGA芯片厂家开始崭露头角，如安路、高云、遨格芯微等，它们虽然体量较小，但凭借相对较高的性价比，在中低端市场初步站稳了脚跟5-6。更重要的是，这些国产FPGA芯片厂家的出现代表着我国打破了美国一家垄断FPGA市场的现状，这也是我国科技实力进步的一大体现。2020年以来，新冠疫情持续在全球蔓延并对多个行业造成严重影响，“缺芯涨价”成为近年来集成电路市场最典型的体现，许多主流FPGA芯片采购价比疫情前翻了数倍甚至更多，高昂的采购成本倒逼大量企业修改产品方案7。原本相对弱势的国内FPGA厂家反而迎来了难得的发展机遇，据统计，截止至2021年，国产 FPGA 合计拿到了约 10%的市场份额，实属不易。当然，近两年Xilinx和Intel市场份额下降更多是因为缺货和中间商提价导致，待二者产能恢复及市场平稳后，预计Xilinx和Intel的市占率仍会逐步回升，国产厂商必须抓住宝贵的窗口期，加速产品布局和升级迭代，尽力在Xilinx和Intel恢复元气后拿下更大的市场份额。2 FPGA在高校FPGA课程已经纳入高校培养计划多年，国内也涌现出了一批优秀的FPGA学习教材及参考书8，但正收稿日期：2022-12-16基金项目：河南省研究生教育改革与质量提升工程项目(YJS2022JC37)；国家自然科技基金(61974127)作者简介：王鹏(1985)，男，河南周口人，高级工程师，副教授，博士，主要研究领域为基于FPGA的硬件加速系统、实时信号处理；涂友超，教授，博士；龚克，副教授，博士。E-mail：http：/Tel：[phone] 65690964ISSN 1009-3044Computer Knowledge and Technology 电脑知识与技术Vol.19,No.18,June 2023153DOI:10.14004/ki.ckt.2023.0858本栏目责任编辑：王 力信息化与计算机教育Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第18期(2023年6月）第19卷第18期(2023年6月）如前所述，这些教材和参考书均以Intel或AMD公司FPGA为学习对象，适配国内FPGA的教材和参考书仍是一片空白，这对培养本土FPGA产业链及完善相关生态十分不利。客观说，国内FPGA厂商的研发实力仍然与美国存在着极大差距，当进口高端FPGA已集成数百万个LE时，国内FPGA芯片的LE数量还主要集中在数百至数万个量级，在开发软件上同样存在明显差距，但我们也必须正视国内FPGA厂商取得的进步，而且国内厂商在中低端已具有相当强的竞争力，并不逊色于国外产品9，这也是国内厂商能在近年来持续扩大市场份额的关键。在国外对我国的高科技发展日益打压的今日，我们既要正视与西方发达国家的科技差距，虚心学习国外的优秀经验，也要大力支持民族高科技产业的发展，选择优秀的国产FPGA厂家进行FPGA授课已十分必要，作者自2006年起开始专业从事FPGA应用系统研发工作，见证了FPGA市场从小到大，从小众到全面开花的过程，也见证了国内FPGA厂商的成长，作为一名高校教师，深感有义务让更多的同学们认识和学习到我国自己的FPGA芯片，并持续为国产FPGA产业的发展添砖加瓦。3 在教学中转向国产FPGA笔者在长期的工作中使用过多款国产FPGA，一度也是Xilinx和Intel的忠实用户，但自华为事件发生后，再加上近年来各类芯片断供、涨价事件的出现，笔者首先在科研中全面转向国产FPGA，并欣喜地看到国产FPGA厂商近年来确实是在苦练内功，芯片规模日益提升，用户体验也在逐步改善。再加上笔者在高校同时负责FPGA课程的本科、研究生课程、创新创业项目以及学科竞赛指导，自2020年起开始尝试将国产FPGA引入大学校园，收到了很好的效果。大学授课需要的是中小规模甚至入门级FPGA，同时还要考虑到芯片的成熟度、售价、购买渠道以及厂家技术支持能力等，在这方面，安路、高云、遨格芯微等国产厂商都是较合适的选择，而且其销售网络相对成熟，产品售价低廉，以安路的EG4XBG256为例，该芯片采用兼容Xilinx Spartan6 BGA256封装引脚设计，支持最高IO数量达到193个，但芯片典型售价仅为40元左右，而与之规模相近的Xilinx XC6SLX16售价高达300元10。除了芯片价格占据显著优势，国产厂商近年来还下大力气完善了各自的集成开发软件及数据手册、硬件设计参考等，同样以安路为例，其开发软件TD在2019 年的稳定版本为 4.6.2，安装文件大小仅为96MB，2022 年 已 迭 代 至 5.6.1，安 装 文 件 达 到 了1.4GB，软件功能和用户体验均有了极大提升。此外，高云、遨格芯微同样拥有自己的开发软件GwFPGA和Supra。在仿真软件上，国产FPGA均可提供对主流仿真软件Modelsim的良好支持，在对IP核进行编译后，可顺利地开展各类复杂FPGA工程仿真。相对而言，安路和高云的产品手册均较完善，二者还在各自网站上给出了大量参考设计和设计资源，能帮助用户快速开展相关设计，遨格芯微的设计资源仍有待进一步完善，公司网站上仅提供了基本的Data Sheet和Pinout列表，当然，也希望国内能涌现出更多的优秀FPGA厂家。4 教学思考及改进以本科教学为例，FPGA课程通常在本科二、三年级开展，且通常与51单片机、MCU等课程同步学习，但与这些课程相比，FPGA的学习难度明显偏高，虽然其开发流程接近于嵌入式系统的C语言开发，但因开发语言HDL相对晦涩，再加上其独特的并发执行理念，许多学生在学习该课程时通常难以理解背后的硬件实质，仍将其视作一种特殊的软件编程语言，导致越是学习到后期，学习越是吃力，甚至在临近学期结束时仍认为FPGA只是一种比较特殊的MCU，整体学习效果大打折扣11。针对上述问题，笔者做了一些有益的尝试，并用于近年来的本科教学，介绍如下：4.1 始终坚持培养硬件思维在课程学习前期，要特别重视学生对FPGA工作原理的深入理解。FPGA是复杂可编程逻辑器件的典型代表，以主流的SRAM型FPGA为例，其内部包含了大量的查找表、寄存器、可编程布局布线资源、存储器、硬件乘法器等，其中查找表和寄存器是FPGA最具代表性的可编程硬件资源，分别用于实现任意组合逻辑功能和时序功能。从这里可以清晰地看出：FPGA就是一种典型的可编程数字集成逻辑芯片，它所实现的所有功能都可用一张数字电路原理图来表示。事实上，在FPGA诞生后的相当长一段时间里，人们正是用其来代替传统的74系列中小规模数字集成电路，且主要的设计手段就是原理图设计输入方式，然后由FPGA厂家提供的专用软件将该原理图进一步转化为可供FPGA使用的配置文件，只是传统物理意义上真实存在的数字集成电路器件全部由FPGA内部的LUT和触发器组成，物理连线也变为FPGA内部专用的可编程互联资源。时至今日，许多FPGA开发系统还保留着早期的原理图设计输入方式，出于加深理解的目的，可以让学生通过该方式试验一些简单的例程，如基本逻辑门、计数器、触发器等，同时也可和后面要学习的基于HDL方式的设计流程进行对比，直观体验到HDL语言带来的标准化与高效率。4.2 针对性设计创新实验在基本掌握HDL语法的基础上，授课教师通常会根据学习进度，不定期地为学生安排一些基本的课内实验，如动态数码管显示、矩阵键盘识别、蜂鸣器演奏等，这些实验十分经典，不仅在FPGA课程中频繁出现，也是数字电路、单片机、嵌入式系统等课程的常见实验内容。但是要想让学生真正体验到FPGA的强大实力和独特魅力，还必须要针对FPGA的优势开发一系列FPGA专属实验，否则如果只停留在这些简单基础的实验层次上，学生很容易陷入一种迷茫的状态，154信息化与计算机教育本栏目责任编辑：王 力Computer Knowledge and Technology电脑知识与技术第19卷第18期(2023年6月）第19卷第18期(2023年6月）尤其是会自发与单片机进行对比，这些实验采用单片机和C语言开发更为简单，也更易理解，而FPGA的代码相对晦涩，那FPGA的优点到底是什么，能用来干什么？与单片机相比，FPGA最大的优势就是其硬件级处理及并行执行能力，一个FPGA设计中可以包含多个子模块，各子模块之前是完全的并行运行关系，且它们的运行都依赖于严格的硬件时序，而单片机、MCU（本科阶段通常不考虑部分高档双核、多核微处理器）本质上都是串行处理架构，虽然主频看上去可能比FPGA高，但在高速信号采集及处理领域的能力是远逊色于FPGA的，以频率计为例，基于FPGA的频率计可以轻易实现对200MHz以上信号的精确测量，而MCU则难以胜任，此外还有高速AD、DA处理、多路总线并行处理等，基于这些应用背景，可设计出一大批创新性的FPGA实验，虽然其实验难度也相对较大，但大部分学生还是非常乐于接受挑战，并取得较好的实验效果，更重要的是，如果是用MCU完成同样的功能，基本是不可能实现的，学生从中可以真正体会到FPGA的强大与神奇之处。4.3 通过学科竞赛推广FPGA在电子领域，全国大学生电子设计竞赛有着极高的知名度和影响力，该竞赛每2年举办一次，以2021年全国电赛为例，共有来自全国各个省市赛区的1 117所院校，19 735个学生队伍，近6万名大学生报名参加。此次竞赛共评出322项全国一等奖及790项全国二等奖，一等奖获奖率仅为1.63%，二等奖获奖率也仅为4%。许多一等、二等奖获得者直接被各大高校保送为研究生。此外，许多省份还开展有省级电子设计竞赛，一些知名半导体企业也会不定期举办各类设计竞赛。因成本高、实现难度大，FPGA在电赛早期的应用并不多，但自2015年起，FPGA在通信类、仪器仪表类赛题中的方案优势愈发明显，再加上入门级FPGA芯片价格的下探，许多FPGA开发板的价格已降至200元以下，与MCU开发板的典型售价已十分接近，国产FPGA阵营的加入更进一步拉低了FPGA平均售价，以2015年的数字频率计题目为例，基本要求使用普通的STM32系列实现相对容易，但如果要实现全部的附加功能，则对处理器的性能和软件开发框架均有着较高要求，而使用FPGA实现则十分方便，且测量结果和精度均全方位优于MCU方案。同样地，2017年的调幅信号处理电路也十分适合FPGA方案实现，自2019年起，全国电赛开始增加物联网方向赛题，该年的基于互联网的信号传输系统要求使用千兆以太网实现，FPGA同样可以轻易实现全部功能，而如果要用微处理器方案，则至少需要高档ARM处理器甚至DSP才能达到类似性能，这一趋势在2021年再次得到体现，该年的“基于互联网的摄像测量系统”“数字-模拟信号混合传输收发机”均十分适合用FPGA实现。综上所述，随着FPGA在电子领域应用的日益普遍，各类电赛题目中适合使用FPGA方案的赛题也日益增加，各参赛高校必须注意到这一趋势并提前做好准备，在赛前培训、模拟训练、包括日常的课堂教学及实验环节，均需要针对性更新相应内容，切实体现出FPGA的性能优势，让学生在训练中真正得到锻炼和提升，达到以赛促学、以赛促教的目的。5 总结近年来，西方对我国的打压和科技封锁愈发严重，FPGA作为电子行业高精尖产品的典型代表，同样不能独善其身。可喜的是，近年来国内已经涌现出一批掌握核心技术的国产FPGA厂商，且在与国际巨头的同类产品竞争中有着突出的性价比优势，再加上新冠疫情以来国外芯片供应链极度不稳定、价格波动剧烈，国内FPGA厂商已拿下了一定的市场份额12，但在大学授课环节，国产FPGA的存在感仍十分微弱，笔者经过多年的尝试，以安路公司的EF2、EG4等系列为处理核心，首次在本科及研究生教学中尝试开展了国产FPGA进课堂活动，收到了十分可喜的效果。另一方面，FPGA的发展及应用同样日新月异，传统的课堂教学中，FPGA入门案例虽然经典，但已难以体现出FPGA的真正优势，甚至会让学生产生FPGA不如MCU好用的错误观念，为此，在创新案例和学科竞赛培训上针对FPGA的特点设计了一批全新的应用实例，既能很好地锻炼学生，又能让学生感受到FPGA的强大与神奇之处。近年来，我校在历次全国电赛中均有FPGA方向队员获得国赛奖励，这对一所并非以理工科见长的普通二本师范高校十分难能可贵，在此也将上述教学改革的思路及典型案例与各位同仁一并分享，做大做强祖国的FPGA产业，高校理应是先行者，也是引导者。参考文献：1 李鑫,闫雪梅,高媛媛,等.FPGA发展现状和行业应用分析J.信息通信技术与政策,2022(7):65-72.2 耿鑫,徐盛,徐宏,等.基于工程项目的FPGA教学方法探讨J.教育信息化论坛,2021(5):51-52.3 张鹏.浅谈FPGA器件设计技术发展综述J.电子测试,2014(10):41-43.4 肖瑶,李守伟,王怡涵.FPGA芯片产业链及知识转移网络特征分析J.复杂系统与复杂性科学,2022,19(3):20-26.5 杨德振,李凯峰,蔡佳一,等.基于国产FPGA的红外图像处理算法实现J.激光与红外,2022,52(8):1223-1229.6 周方浩.基于国产FPGA的分布式数据采集传输子系统设计D.杭州:浙江大学,2022.7 秦枭.FPGA逆势涨价 国内厂商突破空间何在?N.中国经营报,2022-12-05(C01).8 杨海钢,孙嘉斌,王慰.FPGA器件设计技术发展综述J.电子与信息学报,2010,32(3):714-727.9 郑志旺.基于国产FPGA的数据采集存储系统的研究与设计D.太原:中北大学,2021.10 施杨.打破国外垄断,安路FPGA引领行业创新J.电子产品世界,2019,26(12):86.11 王鹏,陈新武,陈咏恩,等.面向应用型本科教育的FPGA课程教学探讨J.实验技术与管理,2016,33(3):185-188,234.12 朱璟辉.发展自主FPGA助力国家强基战略J.中国工业评论,2017(1):58-62.【通联编辑：梁书】155