針對FPGA的完全可配置嵌入式32位RISC處理器

使用嵌入式微處理器的FPGA設計不斷增長(cháng)。根據Dataquest的統計，一年大約啟動(dòng)10萬(wàn)個(gè)FPGA設計項目，其中約30％包含某種形式的微處理器。

　　形成這種趨勢有幾個(gè)方面的原因。首先，數據流應用更適合可編程硬件，同時(shí)嵌入式微處理器更適合于執行控制流的應用。第二，要改變設計時(shí)，嵌入式處理器呈現更大的靈活性。最后，用軟核的嵌入式微處理器消除了處理器過(guò)時(shí)的風(fēng)險。從傳統上而言，對嵌入式FPGA微處理器有一些限制，包括成本，速度和設計性能。隨著(zhù)工藝技術(shù)和設計技術(shù)的進(jìn)步，這些限制正在不斷改善，現在設計人員更有可能在他們的應用中考慮使用嵌入式FPGA微處理器。

　　與過(guò)去相比，現成的微處理器已經(jīng)大大比嵌入式微處理器便宜。但是，今天的低成本FPGA被證明是一個(gè)節約成本的解決方案。如果設計中已經(jīng)使用了FPGA，處理器可以整合到現有的FPGA架構，節省了分立器件或新的FPGA成本。設計周期也是一個(gè)重要的因素。將硬件與微處理器子系統構成相關(guān)的架構并進(jìn)行實(shí)施能有多快？編寫(xiě)，測試和在微處理器上調試運行的代碼需要多久？在過(guò)去幾年中，在整體功能和易用性方面，針對嵌入式微處理器開(kāi)發(fā)的軟件工具也有了明顯的改善。因此，現在可以在幾分鐘內運行設計，并且進(jìn)行測試。產(chǎn)品上市的時(shí)間縮短了，因為現在用軟件實(shí)現功能比硬件更快，更簡(jiǎn)單。

　　用現成的微處理器達到的性能有良好的歷史記錄。隨著(zhù)技術(shù)的改進(jìn)，FPGA在功能和整個(gè)系統的速度方面有了顯著(zhù)的進(jìn)步。由于現在的FPGA能夠處理更大的帶寬，嵌入式處理器對于許多設計有很大的吸引力。此外，由于FPGA與其他專(zhuān)用模塊的緊密配合，軟IP核的擴展性提供了一個(gè)系統接口，就性能和吞吐量方面而言，現在一個(gè)片上處理器可以提供卓越的設計方案。

　　當評估諸如LatticeMico32這樣的特殊處理器時(shí)，使用嵌入式軟處理器的優(yōu)點(diǎn)非常清楚。

　　一個(gè)典型的嵌入式處理器子系統

　　讓我們來(lái)看看一個(gè)典型的嵌入式處理器子系統，例如，LatticeMico32軟處理器。該處理器需要有能與外界通信的功能，因此通常核連接到一個(gè)片上總線(xiàn)系統，在此情況下是WISHBONE開(kāi)放源代碼總線(xiàn)。然后還需要一個(gè)存儲系統，用來(lái)保存處理器程序代碼以及處理器核使用的數據。對外部通信而言，在一個(gè)典型的系統中有各種接口，從簡(jiǎn)單的通信接口和連接、更復雜的協(xié)議到應用中的專(zhuān)用硬件模塊?，F在該處理器總線(xiàn)架構需要連接外設和存儲器系統。一個(gè)典型的系統如圖1所示。

圖1 典型的嵌入式RISC處理器子系統

　　讓我們來(lái)看看處理器核本身：LatticeMico32是基于哈佛總線(xiàn)結構的RISC架構的微處理器（圖2）。 RISC體系結構提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的指令集和更快的性能。哈佛總線(xiàn)架構提供獨立的指令和數據總線(xiàn)，能夠執行單周期指令。該處理器擁有32個(gè)通用寄存器，可處理多達32個(gè)外部的中斷。定制的處理器可以插入乘法器或桶形移位器，以及不同的調試功能。

圖2 LatticeMico32：一個(gè)可配置的RISC處理器核