FPGA實(shí)現多處理器解決方案

擴展指令集

多個(gè)處理器IP供應商能夠擴展處理器指令集,以包含在硬件中實(shí)施的專(zhuān)用算法,并在FPGA中實(shí)現。采用處理器常用的加載/存儲操作,數據可饋入到定制邏輯模塊中,成為處理器算法邏輯單元（ALU）的一部分。在有些情況下,定制指令能夠支持多周期操作,實(shí)現對FIFO和存儲器緩沖等其他系統資源的訪(fǎng)問(wèn)。定制指令的典型應用包括位處理、復雜的數值和邏輯運算等。

依靠處理器加載和存儲操作,定制指令與采用通用ALU資源運行同樣算法相比,具有明顯的性能優(yōu)勢。例如,64kbyte的循環(huán)冗余校驗（CRC）以定制指令運行時(shí),運行速度比軟件快出27倍1。不同的應用具有不同的性能結果,但是總體上比單獨采用軟件快得多。

處理器IP供應商不同,開(kāi)發(fā)人員如何使用定制指令也各不相同。例如,在加入定制指令時(shí),有的必須生成一個(gè)新的編譯器。然后,根據應用標準,這種定制編譯器導出定制指令調用。更簡(jiǎn)單的方法是由用戶(hù)在其C源代碼中作為子程序來(lái)直接調用指令。由于軟件設計人員能夠更清楚的掌握何時(shí)使用定制指令,因此這種方法更自然一些。

提升系統性能的多種方法

其他提升系統整體性能的方法包括利用硬件加速（也稱(chēng)為協(xié)處理器）、處理器協(xié)同芯片以及定制片內系統等。

與定制指令不同,硬件加速器作為獨立的邏輯模塊直接從嵌入式CPU獲取指令,不需要CPU干預,處理全部數據緩沖。一個(gè)簡(jiǎn)單的模塊框圖包括帶有兩個(gè)1/2 DMA通道的處理模塊（一個(gè)讀取輸入數據,另一個(gè)存儲結果）以及一個(gè)控制接口,用于CPU建立、啟動(dòng)、停止以及工作中對各單元的輪詢(xún)等。這種體系結構非常適合于對大塊數據的處理,此時(shí),CPU加載數據并存儲結果成為性能瓶頸。

硬件加速器由于其固有的自治特性,能夠比軟件運行任務(wù)提高幾個(gè)數量級的性能增益,因此加速功能通常在硬件中設計實(shí)現。

不管CPU是否在FPGA內部,與FPGA連接的分立處理器和DSP協(xié)同芯片都可以使用硬件加速、擴展外設以及接口橋接等?，F在,可直接使用芯片間接口IP,實(shí)現對FPGA內部外設、加速邏輯和I/O接口的外部訪(fǎng)問(wèn)。

總結

在FPGA中采用多個(gè)軟核處理器,根據時(shí)間和功耗要求劃分任務(wù),可高效使用處理能力,與分立處理器相比,具有相同甚至更高的整體性能。多個(gè)軟核處理器還可以用作分而治之的策略,來(lái)提升系統整體性能或者卸載現有處理器任務(wù),這種策略?xún)H受目標FPGA邏輯和存儲器資源的限制。

一類(lèi)新的硬件開(kāi)發(fā)工具、知識產(chǎn)權內核以及FPGA體系實(shí)現了這些技術(shù)的主流應用。在嵌入式領(lǐng)域,由于這些技術(shù)的成功,主要FPGA供應商進(jìn)一步加大了開(kāi)發(fā)和投入。在您下一個(gè)設計中,應考慮如何應用這些技術(shù)。