“添加”少许FPGA ：Arduino和树莓派的新玩法

Arduino和Raspberry Pi开发板是颠覆嵌入式系统开发方式的登峰造极之作。从前，嵌入式系统的开发从硬件开始。项目步骤一般如下：

1.规范系统要求，包括粗略估计处理速度和I/O要求。

2.选择符合功率、性能和价格要求的适当微控制器或微处理器。

3.连接硬件原型。

4.调试硬件原型。如有必要，编写少量驱动程序代码来调动线路。

5.硬件运行后，开始执行代码。

6.调试代码。

7.发货！

现在没那么简单了。首先，有数以千计的处理器和微控制器可供选择，而它们来自众多供应商。没有人可以把所有这些替代方案都记在脑中。

其次，上述第三项（连接硬件原型）提出了一个实际问题，因为三十年前全球已发展到采用表面贴装技术的阶段。对于电气工程，上世纪70年代普遍使用的原型开发技术手工布线甚至绕接技术，类似于手工锻造技术。现今已很少用到此类技术。您确实需要设计、制造和焊接原型印刷电路板，如果有更好（更快、更低成本）的替代选项，谁会花时间那样做呢？

这种情况为开发板创造了机会，直接绕过上面的一至四步。目前市场上最知名的两种开发板是ArduinoUno（及其众多型号）和Raspberry Pi。Raspberry Pi的最新型号是Raspberry Pi 4 Model B。虽然人们经常将Arduino开发板与Raspberry Pi开发板相提并论，但两者截然不同。

嵌入式开发：从Arduino起步

Arduino是一家开源计算机硬件与软件公司的名称、一个开源社区项目、设计和制造Arduino开发板的用户社区、一种集成开发环境 (IDE) 以及实际Arduino微控制器板本身。（Arduino这个名字出自意大利伊夫雷亚的一家酒吧，Arduino项目的一些最初创始人过去常在那里会面。）

图1：Arduino Uno是一款基于8位Atmel微控制器的入门级开发板，具有一些简单的I/O功能，可作为不需要高性能的嵌入式设计的开发平台。（图片来源：Arduino）

最初的Arduino开发板基于Atmel的AVR微控制器。在使用Arduino IDE开发代码后，Arduino IDE随后会编译代码，并将代码下载到板载微控制器的闪存中。Arduino IDE支持C和C++语言，具备其独有的特殊代码结构规则。由于Arduino概念得到了极大发展，较新的Arduino型号已升级到基于32位Arm®Cortex®-M0的微控制器，以实现更高性能（图1）。

Arduino开发板是作为入门级微处理器开发板，用于控制相对简单的嵌入式系统，因此其I/O功能非常简单。除了一些带有简单数字I/O和模拟输入引脚的0.1英寸针座外，Arduino Uno开发板还有一个USB端口以及一些可以闪烁的板载LED。就这么简单。I/O引脚由软件控制，因此在发挥这些引脚的性能时不会有太多阻碍。

升级到Raspberry Pi！

如果嵌入式设计需要更高性能，那么可以考虑从Arduino升级到Raspberry Pi 3 B+开发板（图2）。以下是该开发板的重要特性：

• Broadcom BCM2837B0，1.4 GHz Cortex®-A53 (Arm®v8) 64位SoC

• 1 GB LPDDR2 SDRAM

• 2.4 GHz和5 GHz IEEE 802.11.b/g/n/ac无线LAN，蓝牙4.2，BLE

• USB 2.0千兆位以太网（最大吞吐量300 Mbps）

• 扩展型40引脚GPIO针座

• 全尺寸HDMI

• 四个USB 2.0端口

• 扩展型40引脚GPIO针座

• CSI摄像头端口，用于连接Raspberry Pi摄像头

• DSI显示端口，用于连接Raspberry Pi触摸屏显示器

• 4极立体声输出和复合视频端口

• Micro SD端口，用于加载操作系统和存储数据

• 5V/2.5A直流电源输入

• 以太网供电 (PoE) 支持（需要独立的PoE HAT）

图2：Raspberry Pi 3 Model B+是一款出色的嵌入式硬件开发平台，具有四核64位Arm 应用处理器、1 GB SDRAM以及丰富的I/O功能。（图片来源：Raspberry Pi）

有了如此多的处理能力、存储器和I/O功能，您可以做很多事情。Raspberry Pi 3 B+开发板可运行Linux，且该产品具有庞大的支持社区。Raspberry Pi 3 Model B+价格低廉，成为许多嵌入式开发项目的绝佳硬件平台。

如果您需要提速，该怎么办？

如果Raspberry Pi 3 Model B+满足您对嵌入式系统设计的所有要求，则无需再寻找其他产品。既然这款开发板价格低廉，功能又极其强大，那么何必多此一举呢？但是，如果您的嵌入式系统需要的特殊I/O功能超出Raspberry Pi Model 3 B+的大量I/O资源，该怎么办？

这种情况就是您需要FPGA的高性能功能的一个例子，FPGA擅长让您仅使用软件即可定义出新型高速接口。无需额外布线。此外，您还可以使用Trenz Electronic的TE0726-03M开发板ZynqBerry（图3），获得已内置于Raspberry Pi Model 2外形尺寸中的FPGA功能。

图3：Trenz的TE0726-03M ZynqBerry开发板采用Raspberry Pi Model 2外形尺寸封装了一个Xilinx的Zynq Z-7010 SoC，适合需要额外I/O性能的嵌入式设计。（图片来源：Trenz Electronic）

ZynqBerry基于Xilinx的Zynq Z-7010 SoC，融合了双核Arm®Cortex®-A9 32位微处理器和FPGA。以此打造的器件与单个处理器（或甚至以1.4 GHz运行的四个处理器）相比，能够处理更多的高性能任务。您可以使用可下载的Xilinx Vivado工具套件对Trenz ZynqBerry进行编程，该套件可为Zynq SoC的软件（处理器）和硬件 (FPGA) 端提供 IDE。

更喜欢Arduino的外形尺寸？

但如果您更喜欢Arduino Uno的外形尺寸呢？Trenz Electronic的TE0723-03MArduZynq也可满足您的这一需求（图4）。

图4：对于需要更多处理器和I/O性能的Arduino项目，Trenz Electronic的TE0723-03M ArduZynq将Xilinx Zynq SoC置于Arduino开发板外形尺寸中。（图片来源：Trenz Electronic）

与Trenz ZynqBerry一样，您可以使用可下载的Xilinx Vivado工具套件对Trenz ArduZynq进行编程。

像Arduino Uno和Raspberry Pi这样的开发板可以简化许多嵌入式开发选择，但无法应对所有嵌入式设计挑战。当您的需求超出这些开发板的功能时，无需更改开发板的外形尺寸。您只需在组合中添加一点FPGA。