FPGA的AI之路:Intel FPGA開發技術昇華實戰

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張瑞
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具体描述

  Intel依然強大!FPGA設計是現代電子業的奇蹟,用軟體設計的方式來完成硬體核心的佈建,加上人工智慧更是如虎添翼。

  本書主要從技術基礎、開發方法和人工智慧應用三個方面介紹FPGA的開發工具與開發技巧,圍繞FPGA的基礎知識,Verilog硬體描述語言,FPGA在Quartus中的開發流程,FPGA的SOPC、HLS、OpenCL設計方法,FPGA在人工智慧領域的應用等方面進行闡述,使開發人員能理解FPGA的核心知識,掌握FPGA的開發方法和開發工具。

  以FPGA基礎知識為切入點,透過對開發方法和設計思路的講解,幫助讀者快速掌握FPGA開發技術及FPGA在人工智慧上的應用。

  全書包含FPGA技術基礎篇、FPGA開發方法篇和人工智慧應用篇三大篇,內容如下

  ■ 第一部分 FPGA的基礎知識及開發流程

  首先,介紹了FPGA的基本概念和入門知識,從FPGA的抽象化解釋,到FPGA如何從早期的邏輯門器件演變為當前的現場可程式化邏輯閘陣列的整個發展歷程,讓讀者明白FPGA的概念及特點。其次,介紹了FPGA的內部結構,進一步解讀FPGA的晶片內建資源,包括查閱資料表、可程式化暫存器、自我調整邏輯模組、內部儲存模組和時脈網路等,讓讀者能夠從FPGA的最基本邏輯單元和最底層結構的角度加深對FPGA的瞭解。然後,介紹了FPGA的Verilog HDL語言開發方法,包括基本語法,如if-else敘述、case敘述等和進階開發技巧,如鎖相器和暫存器的區別、阻塞與非阻塞的區別,並且根據編碼器、解碼器、雙向暫存器和上浮排序等實例具體介紹Verilog HDL語言的開發。最後,介紹了FPGA在Quartus Prime軟體中的開發流程,結合FPGA基礎知識、FPGA的內部結構及Verilog硬體描述語言系列內容,形成了一個基本的FPGA開發知識系統。

  ■ 第二部分 FPGA開發方法和工具
  在對第一部分內容進行深化的同時,進一步介紹了針對軟體工程師的FPGA開發方法。首先,介紹了FPGA傳統開發過程中使用到的分析與偵錯工具,如綜合工具、約束工具、時序分析工具、偵錯工具等,介紹了編譯報告和網路表查看工具。其次,介紹了基於FPGA的可程式化系統單晶片(SOPC)的建構方法及其軟硬體的開發流程,介紹了IP核心與Nios處理器。然後,介紹了使用高層次綜合設計的FPGA設計工具HLS進行FPGA開發的方法,包括基於HLS的開發流程、程式最佳化、Modelsim模擬及HLS多種介面的使用場景分析。最後,介紹了在異質計算場景下,如何使用OpenCL進行FPGA開發的方法,包括主機端和裝置端的程式編寫。

  ■ 第三部分 FPGA開發的擴充
  主要介紹FPGA在人工智慧領域的應用。首先,介紹了人工智慧的發展歷史和深度學習技術的基礎,包括常用的深度學習網路模型和程式設計框架。其次,介紹了深度學習的概念、基本組成及深度學習的應用挑戰,包括神經網路基本組成、常見的神經網路模型和資料集。最後,以電腦機器視覺為例,介紹了如何使用英特爾OpenVINO工具在英特爾FPGA上部署深度學習推理計算。
 
好的,这是一份不涉及《FPGA的AI之路:Intel FPGA開發技術昇華實戰》的图书简介,内容详实,力求自然流畅。 《现代嵌入式系统设计与应用:从基础到前沿》 内容简介 在当今数字化与智能化浪潮的驱动下,嵌入式系统已成为连接物理世界与数字智能的核心桥梁。本书旨在为工程师、研究人员及高年级学生提供一个全面、深入且兼具实践指导意义的现代嵌入式系统设计与应用教程。全书以严谨的工程思维为导向,系统地剖析了从微控制器基础选型到复杂异构系统构建的全过程,重点聚焦于系统性能优化、实时性保障以及面向特定领域(如物联网、边缘计算)的定制化解决方案。 第一部分:嵌入式系统基石与硬件选型 本部分奠定了坚实的理论基础。首先,详细阐述了嵌入式系统的架构演进,对比分析了不同指令集架构(如ARM Cortex-M/A系列、RISC-V)的优劣及其在功耗、性能和生态系统上的权衡。深入探讨了存储器层次结构(SRAM、DRAM、非易失性存储器)的工作原理、访问时序及其对系统性能的瓶颈影响。 核心章节聚焦于片上系统(SoC)的设计要素。我们不仅讲解了处理器核心、总线结构(如AHB/AXI)的仲裁机制与带宽分配,还细致解析了系统级互连对数据流的影响。此外,针对功耗敏感型应用,本书提供了详尽的低功耗设计策略,包括时钟门控、电源域管理和深度睡眠模式的软件唤醒机制。 第二部分:实时操作系统与软件架构 现代嵌入式系统离不开高效的操作系统支持。本部分着重讲解了实时操作系统(RTOS)的核心概念,如任务调度算法(固定优先级、轮转、抢占式)、中断处理流程以及上下文切换的开销分析。我们选取了如FreeRTOS和Zephyr等主流RTOS进行深入的代码级剖析,帮助读者理解内核如何保证系统的确定性和可预测性。 软件架构方面,本书倡导模块化与分层设计。详细介绍了设备驱动程序(Device Driver)的编写规范,特别是针对复杂外设(如高速ADC、高速通信接口)的编程技巧。同时,探讨了中间件的应用,如文件系统(如FATFS、eMMC驱动)、网络协议栈(TCP/IP, MQTT)在资源受限环境下的移植与优化。书中特别强调了安全启动(Secure Boot)和固件空中更新(OTA)机制的设计与实现,以应对日益增长的安全挑战。 第三部分:高性能I/O与异构计算加速 随着数据量的激增,嵌入式系统对数据吞吐能力的要求越来越高。本部分深入研究了直接内存访问(DMA)的精细控制,解析了多通道DMA的冲突避免策略,并展示了如何通过优化DMA传输块大小来最大限度地提高CPU的有效利用率。 在通信接口方面,我们不仅覆盖了传统的UART、SPI、I2C,更着重讲解了高速串行接口(如PCIe、Gigabit Ethernet)在嵌入式场景下的配置与驱动开发。 针对性能瓶颈,本书深入探讨了异构计算在嵌入式平台上的应用。详细介绍了现场可编程门阵列(FPGA)作为协处理器在数据预处理、图像处理和控制回路加速中的集成方法,以及图形处理单元(GPU)/专用加速器(NPU)的软件接口与数据传输优化。读者将学习如何有效地在CPU与加速器之间划分任务,并利用共享内存模型实现高效的数据交换。 第四部分:系统集成、测试与验证 成功的嵌入式项目不仅需要精妙的代码,更依赖于严格的测试与验证流程。本部分提供了实用的调试与诊断技术,包括使用逻辑分析仪、示波器进行时序分析,以及如何利用JTAG/SWD接口进行断点调试和内存状态监控。 在系统层面,我们引入了硬件在环(HIL)和软件在环(SIL)的测试方法,用以验证复杂的控制逻辑和实时性能指标。书中还探讨了嵌入式Linux系统的裁剪与优化,包括内核模块的加载、用户空间服务的管理(如systemd/init脚本),以及如何通过构建系统(如Yocto Project)来生成定制化的发行版。 第五部分:前沿应用与未来趋势 最后,本书展望了嵌入式系统领域的最新发展方向。深入剖析了边缘智能的实现路径,包括轻量级机器学习模型的量化与部署,以及如何在资源受限的微控制器上运行简单的推理算法。同时,对时间敏感网络(TSN)在工业自动化中的应用前景进行了探讨,并分析了量子计算对未来嵌入式安全架构可能带来的潜在影响。 本书的每一章都配有丰富的代码示例、工程实践案例和关键性能指标分析,确保读者不仅理解“是什么”,更能掌握“如何做”。通过对这些先进技术的系统学习,读者将有能力设计出性能卓越、功耗优化且面向未来的复杂嵌入式解决方案。

著者信息

作者簡介

張瑞


  現任英特爾FPGA中國創新中心總經理,負責英特爾中國區晶元對外合作戰略以及自動駕駛和FPGA等領域的生態建設,同時兼任中國汽車電子產業聯盟副理事長和副秘書長的職務,致力於推動包括5G、機器視覺、感測器融合,和自主決策等多項關鍵自動駕駛相關技術。
 

图书目录

第一部分  FPGA技術基礎篇
第1章  FPGA的特點及其歷史
1.1  無處不在的FPGA    
1.2  創造性地解釋FPGA    
1.3  FPGA的可訂製性    
1.4  早期的邏輯功能實現    
1.5  可簡單程式設計邏輯器件(PAL)    
1.6  可程式化邏輯器件(PLD)    
1.7  複雜可程式化邏輯器件(CPLD)    
1.8  現場可程式化邏輯閘陣列(FPGA)    
第2章  FPGA架構    
2.1  FPGA全晶片架構    
2.2  FPGA邏輯陣列模組    
2.3  FPGA嵌入式儲存    
2.4  時鐘網路    
2.5  DSP模組    
2.6  FPGA佈線    
2.7  FPGA程式設計資源    
2.8  FPGA I/O元件    
2.9  英特爾SoC FPGA    
第3章  Verilog HDL    
3.1  Verilog HDL概述    
3.2  Verilog HDL基礎知識    
3.3  Verilog HDL的基本語法    
3.4  Verilog HDL進階基礎知識    
3.5  Verilog HDL開發實例篇    
第4章  Quartus Prime基本開發流程    
4.1  Quartus Prime軟體介紹    
4.2  Quartus Prime開發流程    
4.3  實驗指導    

第二部分  FPGA開發方法篇
第5章  FPGA設計工具    
5.1  編譯報告    
5.2  網路表查看工具    
5.3  物理約束    
5.4  時序分析工具    
5.5  耗電分析工具        
5.6  晶片內建偵錯工具    
第6章  基於英特爾FPGA的SOPC開發    
6.1  SOPC技術簡介    
6.2  IP核心與Nios處理器    
6.3  建構SOPC系統        
6.4  SOPC開發實戰    
第7章  基於英特爾FPGA的HLS開發    
7.1  HLS的基本概念    
7.2  HLS的基本開發流程    
7.3  HLS的多種介面及其使用場景    
7.4  HLS簡單的最佳化技巧    
第8章  基於英特爾FPGA的OpenCL異質技術    
8.1  OpenCL基本概念    
8.2  基於英特爾FPGA的OpenCL開發環境    
8.3  主機端Host程式設計    
8.4  裝置端Kernel程式設計流程    

第三部分  人工智慧應用篇
第9章  人工智慧簡介    
9.1  FPGA在人工智慧領域的獨特優勢    
9.2  人工智慧的概念    
9.3  人工智慧的發展史    
9.4  人工智慧的應用    
9.5  人工智慧的限制    
9.6  人工智慧的分類    
9.7  人工智慧的發展及其基礎    
第10章  深度學習
10.1  深度學習的優勢    
10.2  深度學習的概念    
10.3  神經網路的基本組成    
10.4  常見的深度學習資料集    
10.5  深度學習的應用挑戰    
第11章  基於英特爾FPGA進行深度學習推理    
11.1  視訊監控    
11.2  視覺系統架構    
11.3  電腦視覺的常見任務    
11.4  電腦視覺的基礎    
11.5  使用OpenVINO工具在英特爾FPGA上部署深度學習推理應用    
 

图书序言

  • ISBN:9789860776041
  • 規格:平裝 / 416頁 / 17 x 23 x 2.1 cm / 普通級 / 單色印刷 / 初版
  • 出版地:台灣

图书试读

前言

  當前,我們正面臨著一場前所未有的科技革命,以巨量資料、人工智慧、5G、雲端運算等為代表的新興技術正在推動人類社會向數位化、智慧化轉變。隨著新一代資訊技術應用的不斷發展和深化,數位基礎設施建設的承載需求也與日俱增,資料量的激增導致資料的傳輸、計算和儲存都面臨著巨大的挑戰。同時,在各領域中,不同的應用場景都面臨著其獨特的資料處理需求。舉例來說,在邊緣和嵌入式裝置中,支持低耗電、小尺寸和低成本的設計非常重要;在網路應用中,需要應對最高資料流量和乙太網速度;在資料中心,則需要提供高頻寬、低延遲時間計算加速。面對上述需求及挑戰,FPGA以其獨特的性能和優勢恰好可為企業提供極具競爭力的解決方案。

  FPGA具備出色的靈活性和低延遲時間性,能夠透過改變和重組邏輯電路的方式滿足不同應用場景的資料處理和加速需求。高性能和高效率不僅能最佳化企業的產品和解決方案性能,還能加快從研發到上市的處理程序,以化解市場需求不確定性所帶來的風險等。5G、人工智慧、資料中心和工業網際網路等是新基建的重要組成部分,而FPGA以其靈活性、可程式化、低延遲時間及低耗電的特性,恰恰是這些領域中需要的核心技術之一,在這樣的熱潮下,FPGA也將迎來前所未有的發展機遇。

  本書作為英特爾FPGA中國創新中心系列叢書之一,以提高開發人員的FPGA技術知識和應用能力為目標,圍繞FPGA技術基礎篇、FPGA開發方法篇及FPGA人工智慧應用篇三大板塊進行說明,以FPGA核心知識為基礎、設計方法為重要內容,結合FPGA在人工智慧領域的應用實踐,用充實的案例幫助讀者瞭解和掌握FPGA技術及應用。本書分為三個部分,共計11章,具體內容如下。

  第一部分內容貫穿了FPGA的基礎知識及開發流程。首先,介紹了FPGA的基本概念和入門知識,從FPGA的抽象化解釋,到FPGA如何從早期的邏輯門器件演變為當前的現場可程式化邏輯閘陣列的整個發展歷程,讓讀者明白FPGA的概念及特點。其次,介紹了FPGA的內部結構,進一步解讀FPGA的晶片內建資源,包括查閱資料表、可程式化暫存器、自我調整邏輯模組、內部儲存模組和時脈網路等,讓讀者能夠從FPGA的最基本邏輯單元和最底層結構的角度加深對FPGA的瞭解。然後,介紹了FPGA的Verilog HDL語言開發方法,包括基本語法,如if-else敘述、case敘述等和進階開發技巧,如鎖相器和暫存器的區別、阻塞與非阻塞的區別,並且根據編碼器、解碼器、雙向暫存器和上浮排序等實例具體介紹Verilog HDL語言的開發。最後,介紹了FPGA在Quartus Prime軟體中的開發流程,結合FPGA基礎知識、FPGA的內部結構及Verilog硬體描述語言系列內容,形成了一個基本的FPGA開發知識系統。

  第二部分內容主要介紹了FPGA開發方法和工具,在對第一部分內容進行深化的同時,進一步介紹了針對軟體工程師的FPGA開發方法。首先,介紹了FPGA傳統開發過程中使用到的分析與偵錯工具,如綜合工具、約束工具、時序分析工具、偵錯工具等,介紹了編譯報告和網路表查看工具。其次,介紹了基於FPGA的可程式化系統單晶片(SOPC)的建構方法及其軟硬體的開發流程,介紹了IP核心與Nios處理器。然後,介紹了使用高層次綜合設計的FPGA設計工具HLS進行FPGA開發的方法,包括基於HLS的開發流程、程式最佳化、Modelsim模擬及HLS多種介面的使用場景分析。最後,介紹了在異質計算場景下,如何使用OpenCL進行FPGA開發的方法,包括主機端和裝置端的程式編寫。

  第三部分內容作為FPGA開發的擴充,主要介紹FPGA在人工智慧領域的應用。首先,介紹了人工智慧的發展歷史和深度學習技術的基礎,包括常用的深度學習網路模型和程式設計框架。其次,介紹了深度學習的概念、基本組成及深度學習的應用挑戰,包括神經網路基本組成、常見的神經網路模型和資料集。最後,以電腦機器視覺為例,介紹了如何使用英特爾OpenVINO工具在英特爾FPGA上部署深度學習推理計算。

  關於本書涉及的FPGA內容,讀者可以直接存取www.intel.com.cn和www.fpga- china.com獲取線上視訊、遠端FPGA加速資源等豐富的學習和開發資源。

  鑑於筆者學識有限,本書內容可能有不足之處,懇請讀者們不吝賜教。
 

用户评价

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閱讀技術書籍的經驗告訴我,翻譯的品質和術語的準確性常常是影響理解程度的關鍵。既然書名提到了「Intel FPGA」,那麼對於Intel自家的獨有技術,如HLS(高階合成)的進階用法、或者是在OpenCL層級的編程優化,其解釋就必須非常到位且精確。我希望這本書在處理這些專業名詞時,能用一種既嚴謹又不失親和力的筆觸。對於那些從其他平台(比如Xilinx)轉過來的工程師,如果能提供一些清晰的對照說明,指出不同平台在設計哲學上的差異點,那就更顯用心了。畢竟,技術圈子很小,大家希望看到的不是翻譯腔,而是真正經過實戰淬鍊出來的寶貴經驗談。這種「昇華」二字,不只是指技術層次的提升,也包含了對整個開發生態系的全面掌握。

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這本書的厚度和內容密度,光從書名感覺就相當驚人,我猜想它涵蓋的範圍應該很廣,從底層的邏輯單元配置到上層的系統級整合都有所著墨。我比較擔心的是,會不會因為內容太全面而導致深度不足。對於我們這種想在特定領域(例如影像處理或訊號分析)做深度優化的工程師來說,如果內容只是泛泛而談,那價值就會打折。我更傾向於看到作者在某幾個關鍵領域,例如數值運算的流水線優化、或者高速資料流的同步機制設計上,能提供一套經過驗證的「黃金標準」方法論。如果能附帶一些可以在Intel Quartus或Platform Designer中直接調用的腳本或Library範例,那就更好了,讓理論能夠無縫銜接到實際的工程專案中,減少我們自行摸索的時間成本。

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這本書的封面設計真的很吸引人,那個藍白相間的線路圖配上現代感的字體,一看就知道裡面內容絕對是硬核等級的。我個人是從傳統的FPGA設計流程慢慢摸索上來的,中間遇到不少卡關的地方,特別是在高速介面和複雜時序約束的處理上,常常覺得卡卡的。這本書如果能從底層的硬體架構解析開始,深入探討如何用更優化、更現代的方式去組織設計流程,對我們這種在業界打滾多年的工程師來說,絕對是及時雨。我特別期待它能多分享一些在大型專案中,如何有效利用Intel FPGA的硬體加速器和內建資源,像是DDR控制器或者PCIe硬體實作的眉角。畢竟,現在的專案要求越來越高,光是會用Quartus Prime編譯程式碼已經不夠了,如何榨乾晶片的每一分性能,才是王道。希望作者在敘述上能多用一些實際案例,把抽象的理論用工程師聽得懂的方式講清楚,而不是那種學術報告式的寫法,那樣讀起來會比較有共鳴,也能讓我們在面對實際問題時,能快速找到對應的解決方案。

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我注意到書名強調了「實戰」二字,這讓我對書中的除錯(Debugging)和驗證(Verification)章節抱有極高的期待。在FPGA的世界裡,模擬器的結果往往與實機燒錄後的表現有落差,特別是時序違規和靜態時序分析(STA)的報告解讀,常常是新手工程師最大的痛點。如果這本書能夠鉅細靡遺地剖析幾種常見的硬體錯誤場景,並提供一套系統化的問題追溯流程,比方說如何利用SignalTap II進行高效能的即時偵錯,或者如何針對複雜的匯流排協定(如AXI)設計完整的測試平台,那這本書的實用性將無可取代。畢竟,一個成功的專案,往往取決於你在除錯階段能多快地找到並解決問題,而不是你寫了多少漂亮的程式碼。

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說實話,現在市面上的FPGA書籍,很多都停留在基礎的Verilog/VHDL語法教學,或者只是簡單介紹某個IP核的使用方法,對於如何真正地「昇華」設計思維,提供的不夠到位。我比較希望看到的是,作者能更著墨於「AI」這個時髦又關鍵的技術領域,如何與FPGA深度整合。例如,量化訓練(Quantization)、模型剪枝(Pruning)之後,如何精準地映射到FPGA的資源上,這中間的軟硬體介面優化是個大哉問。如果書中能針對不同的AI模型架構(CNN、RNN等),提供一套標準化的設計範例和效能調校的準則,那就太棒了。特別是Intel最近力推的OpenVINO工具鏈,如果能結合FPGA的硬體加速,分享一些在實際部署時遇到的性能瓶頸和突破點,我想這本書的實戰價值就會立刻提升好幾個檔次,讓讀者不只是學到「怎麼做」,更是學到「為什麼要這樣做」背後的設計哲學。

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