前言
2022年11月30日，OpenAI推出聊天机器人ChatGPT。仅用了2个月，月度活跃用户就达到了1亿人。2024年2月15日，文本生成视频应用程序Sora横空出世，强势登上各大媒体热搜榜。对此，众人纷纷感叹，人工智能时代已经来临！
人工智能是个大的学科领域，而ChatGPT和Sora则是人工智能领域下的机器学习类应用程序。机器学习，是使用一定的算法，让计算机能够从数据中得出模式和规律，并进行自主学习和改进，可以在没有明确编程的情况下做出决策或预测的行为。机器学习在我们的生活中随处可见，如语音识别、人脸识别、自动驾驶等，改变着我们生活中的方方面面。
目前常见的AI芯片有GPU、FPGA和ASIC。机器学习应用的爆发，使得原本小众的FPGA，因其高算力、低功耗和高灵活性，迎来了快速的发展，市场需求也成倍地增长。
本文将介绍一款基于AMD Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC，低成本、高性价比的FPGA开发板——Avnet（安富利）ZUBoard 1CG。
- 产品介绍
如图，ZUBoard 1CG FPGA开发板外形尺寸为135.00 x 75.00 mm，大概就是成人巴掌大小，非常精致。背面有5个软胶脚垫，方便放置。整体元器件布局也很整齐，看起来很舒服。
ZUBoard 1CG功能丰富、灵活性高、价格合理、拥有大量的参考设计和学习资料，可以让工程师尽情地学习和实验AMD Xilinx Zynq UltraScale+体系结构。
ZUBoard 1CG开发板具有81K可编程逻辑单元，双核Arm Cortex-A53 和双核Arm Cortex-R5F，1GB的ISSI LPDDR4，可设置的256Mb ISSI QSPI闪存或microSD卡启动选项。4个ZU+ PS GTR收发器、18个PS MIO和69个PL I/O都通过三个Samtec扩展连接器和一个Click Board座子引出来了。
主要特性：
- AMD ZU+MPSoC XCZU1CG-1SBVA484E
- 双A53 APU和双R5 RPU
- 56KB片上存储器
- 81900个FPGA逻辑单元
- ISSI 1GB LPDDR4，带片上ECC（错误检查和纠正技术）
- 可选的ISSI 256Mb QSPI或microSD卡启动
- PetaLinux环境可供下载
- Microchip 10/100/1000有线以太网PHY和MAC ID EEPROM
- Microchip USB 2.0 PHY
- Microchip USB-C输入电源控制
- Dialog GreenPAK开/关控制器和电源时序器
- TDK μPOL电源模块
- 板载JTAG和UART调试接口
- STMicroelectronics温度和压力传感器
- 支持后备电池实时时钟和FPGA比特流加密，带ECS和自定义电源
- Samtec连接器实现的扩展
- 用户可控制的RGB三色灯和单色LED
- 用户可控制的滑动开关和按钮I/O
二、外设介绍
图中已经非常清楚地标识出了各种外设及接口，在此笔者就不一一介绍了，挑几个常用的接口介绍一下：
- 15V USB C Power Input（J15），这个接口是电源输入口，官方的建议是15V/3A，板上有个Microchip UPD301C/KYX USB PD控制器，有些笔记本5V/9V/15V/20V自适应输出的适配器，是刚好符合要求的。没有的话也没关系，某宝搜“45W PD充电头”，找有5V/9V/15V/20V电压输出的品牌货（尽量不要用杂牌），也是没有问题的。
- USB JTAG/UART（J11），JTAG/串口调试用的，板载FTDI FT2232HL USB转串口芯片，所以只需要一根MicroUSB数据线就行了。注意不是串口线，也不是Type-C数据线。
- USB 2.0 Type A Ports（J13），这个可以接USB摄像头用。
- Ethernet Connector（J11），RJ45网口座，接网线与电脑连接传输数据。
- microSD socket（J12），可以将装载有系统的microSD卡插在此处，调整Boot mode switch（SW2），设置成SD卡启动，就可以运行microSD卡中的系统了。
- Power ON/OFF button（SW7），电源开关按钮，上电后，按一下开机启动系统，需要关机时，长按10秒。
- Reset button（SW6），复位按钮，通常是开机连接串口后，串口软件中看不到开机信息时，可以按这一下复位，重新启动系统，这样就可以看到开机信息了。
- 开箱测试
hackster上目前发布了有20个左右关于ZUBoard 1CG开发板的project，包括Avnet官方和一些兴趣爱好者的。内容详细，教程简单，大大地降低了FPGA的上手难度。这里就以摄像头识别手势的project为例，展示一下这个开发板的玩法。
Project原文链接：
https://www.hackster.io/AlbertaBeef/asl-classification-with-vitis-ai-025765
- 准备工作
硬件部分：
- ZUBoard 1CG开发板
- 15V/3A Type-C接口电源
- micro USB数据线
- 网线
- USB摄像头
- micro SD卡（16GB或以上）和读卡器
- USB-A转RJ45网口转换器（选配，不带网口的笔记本要用）
软件部分：
- SD卡镜像文件，可以在上面链接中找到下载，注意文件较大，解压后约11GB。
- SD卡镜像文件烧录工具，推荐Win32DiskImager
- UART和SSH工具，推荐MobaXterm，一款软件搞定2个工具
- OpenCV，显示USB摄像头内容
看到这里，有些同学会说，你这都是些什么工具啊，FPGA设计工具都没有，那还能学FPGA吗？没错，学FPGA还需要用到设计工具，AMD FPGA有软硬件开发工具——Vivado和Vitis，如果要做应用开发的话，还需要用到Petalinux。本次展示的project相当于学51单片机时，流水灯的hex文件已经生成好了，直接下载到开发板看效果就行了。也就是说，即使你完全不懂FPGA，也可以将这个板卡当成一个小玩具来玩的。
接下来，我们先对板卡进行上电测试，确认各方面都是正常的。
- 新板首次上电测试
ZUBoard 1CG是通过网线和电脑连接在一起的，所以还需要对电脑网络进行设置，保证电脑和开发板在同一网段上，以便网线连接开发板。
笔者用的是不带网口的笔记本，wifi上网，所以还需要用到一个USB转网口的转接器。这里用的是共享网络的方法。如下图，打开控制面板 – 网络和Internet – 网络连接，Wi-Fi是正在使用的网络，Ethernet 4是网口转接器。
右键Wi-Fi打开属性，点“共享”，勾上“允许其他网络用户……”，家庭网络连接选“Ethernet 4”，也就是把wifi网络共享给网口转接器，这里根据电脑的实际情况自行选择。
网络设置好之后，通过网线、USB数据线将板卡与电脑连接好，打开串口通信工具，波特率设置为115200。插上15V电源，按SW7按钮开机，此时电脑会有串口连接提示。如果串口工具连接后开机信息显示不全，可以再按一下SW6复位一下。
串口信息显示如下：
此时开发板会获得一个IP地址，这个地址每个板不一定相同。信息上还有提示可以在浏览器上输入地址连接开发板，打开浏览器输入地址，出现以下画面，那么恭喜，这就表示板卡正常，电脑也已经成功连接上板卡了，可以进行下一步，运行应用程序了。
- 运行手势识别案例测试
（1）运行Win32DiskImager，将镜像烧录进SD卡。
（2）通过SW2更改开发板的启动方式为SD卡，更改后如图。
（3）USB数据线、网线与电脑连接，SD卡插入J12卡槽，USB摄像头插入开发板USB-A口，打开串口工具，然后插入电源，等待串口工具上的开机信息停止。停止后会提示login，输入root，回车即可。然后按照教程中的指令输入，查询app、DPU架构是否正确，查询ip地址，如图所示。
其中查询app和DPU架构，只需要在第一次运行的时候确认没问题就行了，后续如果没有什么变更的话，就不需要再运行了。比如USB摄像头换成双目摄像头了，这个就需要重新变更确认的。ip地址每次都需要查询确认一下。
（4）这时切换SSH，输入IP地址，注意端口为22，打开SSH界面后，登录root，输入对应的指令，就会出现如下界面。最后一行输入，回车后，就会运行手势识别程序了。
（5）运行手势识别程序的结果，如图，可以根据不同的手势，识别出对应字母或数字。现在演示的手势是按照已经定义好的手势，有兴趣的同学可以自行研究代码，自定义手势对应的含义。比如手比出某个手势，屏幕上直接显示出“我爱xxx”，是不是感觉有点浪漫呢。
四、小结
以上可以看出，ZUBoard 1CG上手还是比较容易的，可玩性也很强，可以进行一些视频和视觉处理、边缘计算、AI算法、控制系统等方面的应用。
这时，专业的FPGA工程师可能会说了，这板卡性能没多强啊，只能让新手做入门学习和架构体验吧？其实不然，很多人认为FPGA是一种高端高成本的产品，事实上，低端FPGA在应用上也是非常广泛的。
FPGA是并行的工作方式，比相同等级的ASIC运行速度更快，具有低延迟、高实时性及高可靠性，在多通道的控制、管理、信号处理上拥有明显的优势。
FPGA高度可定制化，在非大批量生产的产品中，如医疗、航空等，相较于CPU、GPU、ASIC也是拥有较大的优势。
综上所述，ZUBoard 1CG开发板低成本、高性价比，不仅适合做工程师入门学习、练手和验证设计使用，也适合成本敏感，需要处理速度快，可自由设计，且不需要很高算力的产品应用。