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FPGA/PLD  

採用ARM架構的用戶可訂製SoC

上網時間: 2012年10月11日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:核心  FPGA  嵌入式  通用處理器  邏輯 

作者:Todd Koelling

嵌入式產品資深高階經理

Altera公司

面對當今競爭激烈的市場,嵌入式系統設計人員不得不重新審視其設計和開發過程。系統越來越複雜,性能、功率消耗和空間限制也越來越大,傳統的方法已經達到了極限。同時,不斷變化的標準、新出現的市場和發展趨勢都要求設計過程非常靈活,能夠積極應對這些變化。設計人員不僅需要開發更複雜的系統,而且還要能夠迅速實現新的或者衍生設計。

設計團隊有如此多的需求,因此,增加開發時間和資源以適應這些需求是合乎邏輯的,但實際上卻相反。越來越窄的市場需求,要求他們在更短的時間裡推出更高階、更靈活的系統。更麻煩的是,經濟因素的限制也迫使很多設計團隊縮減規模,而不是增加人員。他們今後要獲得成功,關鍵是採用更高效率的手段,來迅速實現功能豐富的高性能自我調適產品。

在市場開發中有利於設計人員的一面,是嵌入式系統的主要平台採用了ARM處理器。僅僅在幾年前,處理器市場還是四分五裂,PowerPC、RISC、MIPS和SPARC都在彼此競爭以實現更廣泛的應用。市場現在則已經非常成熟,在嵌入式應用中,很多用戶採用了ARM處理器做為實際的標準(圖1)。結果,越來越多的出現了採用ARM架構的解決方案,從標準產品,到軟式核心ARM IP,直至在可編程設計邏輯和ASIC中實現的硬式核心IP等。


即使如此,通用型嵌入式系統也很難滿足現代設計需求。多晶片解決方案實現起來相對容易一些,但是成本較高,缺乏設計人員所要求的靈活性以及性能╱功率消耗指標。採用了軟式核心處理器的單晶片解決方案實現起來也相對容易一些,但是性能有限。另一方面,ASIC SoC具有電路板上增強ARM核心,功率消耗和性能表現非常出色,但是對於大部分應用而言,由於開發時間、不靈活,以及成本太高等問題,因此,上市時間較長。

為提高競爭力,嵌入式系統開發人員需要一種能夠說服他們開發獨具優勢產品的解決方案,非常靈活,效率也非常高。

採用FPGA架構的單晶片實現方法具有低成本和快速上市等優點,是多晶片和ASIC SoC非常有吸引力的替代方案。實際上,在過去十年中,FPGA內置嵌入式處理器的應用在穩步增長(圖2)。但是,並不是所有採用FPGA架構的解決方案都能夠滿足目前苛刻的需求。傳統上,使用HDL架構的「軟式核心」ARM來實現採用FPGA架構的ARM系統。對於密度、功率消耗或者性能要求不高的系統,這一種方法是可行的,但是,不一定能滿足更具競爭力系統的要求。對於不斷發展的系統,在FPGA平台上結合經過最佳化的硬式核心ARM是很好的解決方案。


由於Altera等供應商在FPGA技術上的進步,出現了新一類SoC元件,滿足了目前嵌入式系統應用的多種功能需求。採用ARM架構的SoC FPGA在一個SoC中結合了增強ARM處理器、記憶體控制器,以及周邊和可訂製FPGA架構。

採用ARM架構的SoC FPGA(如圖3所示)在單顆FPGA中緊密結合了經過最佳化的「硬式核心」處理器系統(HPS)模組。HPS包括雙核心ARM處理器、多埠記憶體控制器以及多個周邊單元,處理器性能達到4,000 DMIPS(Dhrystones 2.1基準測試),功率消耗不到1.8 W。這些硬式核心IP模組提高了性能同時降低了功率消耗和成本,減少了對邏輯資源的佔用,突出了產品優勢。設計人員可以訂製晶片內FPGA架構,開發專用邏輯。可編程設計功能支援靈活的採用新的或者修改後的通訊標準和網路通訊協定進行設計,進一步調整性能。



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