基于A(yíng)RM的SoC FPGA嵌入式系統的設計實(shí)現

引言

當今的嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員面臨前所未有的挑戰，努力向市場(chǎng)推出最具競爭力的產(chǎn)品。

直到最近，實(shí)現的大部分系統還局限于需要大量軟件而且功耗非常高的多芯片系統或者昂貴的SoCASIC.但是，越來(lái)越多的設計團隊感到受市場(chǎng)壓力以及資源限制的影響，這些方法的吸引力越來(lái)越低。而對于基于A(yíng)RM的嵌入式系統，FPGA技術(shù)、知識產(chǎn)權（IP）以及設計工具的發(fā)展促進(jìn)了用戶(hù)可定制SoC FPGA 的誕生。這些器件不但克服了傳統方法的缺點(diǎn)，而且在嵌入式系統實(shí)現上非常獨特，具有明顯的優(yōu)勢。

應用廣泛的ARM處理器

僅僅幾年前，處理器市場(chǎng)還是四分五裂。PowerPC、RISC、MIPS、SPARC 以及很多其他平臺都在競爭市場(chǎng)主導地位。但是，隨著(zhù)市場(chǎng)的成熟，而且越來(lái)越專(zhuān)業(yè)化，某些平臺在一些應用領(lǐng)域中脫穎而出。特別是嵌入式系統應用領(lǐng)域的ARM處理器（圖1）尤其如此。

圖1. 嵌入式系統應用中流行的平臺

在發(fā)展迅速的嵌入式系統市場(chǎng)上應用非常廣泛的ARM處理器非常適合設計人員使用。

首先，發(fā)展非常成熟的軟件、開(kāi)發(fā)工具和ARM兼容器件輔助系統實(shí)現了能夠協(xié)同工作的解決方案工具箱。其次，受迅速發(fā)展的ARM市場(chǎng)規模經(jīng)濟因素的影響，出現了更好、更先進(jìn)的系統實(shí)現選擇。

嵌入式系統設計挑戰

與以往相比，嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員必須建立高性?xún)r(jià)比系統。迅速擴張的全球市場(chǎng)對設計人員的要求越來(lái)越高。但中國、印度和拉丁美洲等新興市場(chǎng)領(lǐng)域的機遇也越來(lái)越多，這些市場(chǎng)越來(lái)越重要，不容忽視。為滿(mǎn)足越來(lái)越高的用戶(hù)基本需求，需要支持各種標準和價(jià)格、性能以及特性的平臺。而且，競爭在全球展開(kāi)，這對設計團隊的壓力更大，要求在越來(lái)越小的市場(chǎng)窗口內推出特性豐富的產(chǎn)品。

然而，對嵌入式產(chǎn)品的要求如此之高，設計團隊卻在不斷減少。經(jīng)濟壓力迫使很多公司縮減規模，設計資源也由此受到影響。結果，開(kāi)發(fā)團隊的規模在縮減，而工作強度卻在增大。

對成本非常關(guān)注的基于A(yíng)RM的嵌入式系統設計人員越來(lái)越明顯的感受到這一壓力，清楚的認識到傳統實(shí)現方法的缺點(diǎn)。多芯片解決方案實(shí)現起來(lái)相對容易一些，但是成本高，缺乏靈活性，性能/ 功耗指標達不到目前應用的需求。采用了軟核處理器的單芯片解決方案實(shí)現起來(lái)也相對容易一些，但是難以達到功耗和性能目標。ASIC SoC 具有板上硬核ARM內核，功耗和性能表現非常出色，但是面市時(shí)間長(cháng)，不靈活，對于大部分應用而言成本過(guò)高。為提高競爭力，嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員需要一種能夠幫助他們開(kāi)發(fā)獨具優(yōu)勢產(chǎn)品的解決方案，非常靈活，效率也非常高。

新一類(lèi)SoC

在過(guò)去十年中，FPGA 內置嵌入式處理器的應用在穩步增長(cháng)（圖2）。由于A(yíng)ltera 在FPGA 技術(shù)上的進(jìn)步，出現了新一類(lèi)SoC 器件，滿(mǎn)足了目前嵌入式系統應用的多種功能需求?；贏(yíng)RM的SOC FPGA 在一個(gè)SoC 中結合了硬核ARM處理器、存儲器控制器以及外設和可定制FPGA 架構。這些SoC FPGA 解決了設計人員面臨的很多難題，突出了產(chǎn)品優(yōu)勢，價(jià)格和性能達到最優(yōu)，產(chǎn)品能夠及時(shí)面市，延長(cháng)了產(chǎn)品使用壽命。

圖2.FPGA 中處理器的發(fā)展

SoC FPGA

基于A(yíng)RM的SoC FPGA（圖3 所示）在單片FPGA 中緊密結合了經(jīng)過(guò)優(yōu)化的“硬核”處理器系統（HPS）模塊。HPS包括雙核ARM處理器、多端口存儲器控制器以及多個(gè)外設單元，處理器性能達到4，000 DMIPS（DhrySTONes 2.1 基準測試），功耗不到1.8 W.這些硬核IP模塊提高了性能同時(shí)降低了功耗和成本，減少了對邏輯資源的占用，突出了產(chǎn)品優(yōu)勢。用戶(hù)可以定制片內FPGA 架構，開(kāi)發(fā)專(zhuān)用邏輯?？删幊坦δ苤С植捎眯碌幕蛘咝薷暮蟮耐ㄐ艠藴屎途W(wǎng)絡(luò )協(xié)議，進(jìn)一步調整性能。

圖3. 處理器與FPGA 架構緊密集成

與傳統的解決方案相比，SoC FPGA 在性能上有明顯的優(yōu)勢。硬核單元相對于軟核IP進(jìn)行了很大的優(yōu)化，在所采用的工藝節點(diǎn)上，實(shí)現了最好的性能、最低的功耗以及最高的密度。FPGA 通常是新工藝節點(diǎn)最先推出的器件，因此，設計人員利用SoC FPGA 能夠使用最新最好的半導體技術(shù)。而且，與基于電路板的解決方案相比，片內總線(xiàn)緊密連接各個(gè)單元，進(jìn)一步提高了性能和功效。從系統整體角度看，SoC FPGA 明顯減小了系統體積，降低了功耗和成本。

產(chǎn)品更迅速面市

通過(guò)現場(chǎng)可編程平臺，使用現成的器件開(kāi)發(fā)定制基于A(yíng)RM的SoC FPGA，其開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本只是其他定制器件的一小部分?？煽康腇PGA 設計工具、直觀(guān)的系統集成工具以及成熟的ARM輔助系統相結合，加速了開(kāi)發(fā)過(guò)程，降低了風(fēng)險。即使是第一次實(shí)現FPGA的設計人員，目前常用的工具支持接口格式和標準，因此，他們可以比較輕松的重新使用已有軟件、IP和其他設計內容。使用SoC FPGA 平臺，利用開(kāi)發(fā)基礎支撐條件，開(kāi)發(fā)人員能夠很快抓住嵌入式系統市場(chǎng)的機遇。

靈活性

在嵌入式系統市場(chǎng)上應對競爭需要很高的靈活性。網(wǎng)絡(luò )和通信應用必須適應新的或者變化的標準。工業(yè)和醫療供應商不一定需要大批量產(chǎn)品，但是對專(zhuān)業(yè)化產(chǎn)品有很大的需求。不考慮特殊應用領(lǐng)域，嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員必須能夠靈活的應對激烈的競爭，利用最新的技術(shù)，很快抓住新的市場(chǎng)機遇。

SoC FPGA 非常適合滿(mǎn)足嵌入式市場(chǎng)需求?；贏(yíng)RM的SoC FPGA 中的邏輯部分很容易應對各種變動(dòng)，適用性較強。在SoC FPGA 中，邏輯是現場(chǎng)可編程的，意味著(zhù)很容易迅速修改，以突出產(chǎn)品優(yōu)勢，進(jìn)行更新或者重制某一產(chǎn)品型號。在有保證的情況下，即使設備在現場(chǎng)部署后，也可以進(jìn)行重新配置。

可更新和設計重用

設計重用是管理成本、縮短市場(chǎng)窗口、提高設計資源利用率的關(guān)鍵手段。能夠在多個(gè)器件和系列中調整并重新使用設計內容，這種能力是無(wú)價(jià)的。當把現有設計或者IP模塊應用到體積、功耗和性能需求都不同的器件上時(shí)，借助這種方法，設計人員不需要從頭開(kāi)始重新進(jìn)行設計。由于越來(lái)越多的設計團隊分散在世界各地，重新使用功能不但提升了效能，而且提供了共享和利用已有內容的好方法。

SoC FPGA 體系結構支持多個(gè)IP內核，靈活的適應不同的器件系列。很多應用都有不同的價(jià)格、性能、功耗和其他限制，采用可重用和可更新內容很容易滿(mǎn)足這些需求。隨著(zhù)工藝技術(shù)的進(jìn)步，采用這類(lèi)FPGA 系列，通過(guò)在下一代產(chǎn)品中導入IP，能夠方便的移植到下一工藝節點(diǎn)。

長(cháng)壽命產(chǎn)品

對于很多應用而言，長(cháng)壽命產(chǎn)品是要考慮的重要因素。產(chǎn)品生命周期，特別是醫療、工業(yè)和軍用器件，長(cháng)達10 到15 年，甚至更長(cháng)。但是，IC 供應商的產(chǎn)品一般只供應較短的時(shí)間。當這類(lèi)產(chǎn)品的產(chǎn)品生命周期超過(guò)其IC 組件時(shí)，設計人員會(huì )有很大的成本代價(jià)，花費寶貴的設計資源進(jìn)行設計移植，或者重制。

為避免產(chǎn)品過(guò)時(shí)或者失效問(wèn)題的不利影響，建議需要較長(cháng)產(chǎn)品生命周期的嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員選擇經(jīng)過(guò)嚴格可靠性測試的實(shí)施方案，供應商在預期的產(chǎn)品生命周期內都能夠提供支持。由于其長(cháng)壽命并且容易移植，工業(yè)、軍事、航空航天、汽車(chē)以及醫療應用一直在采用FPGA.長(cháng)壽命器件意味著(zhù)很少在現場(chǎng)進(jìn)行產(chǎn)品維護，從而降低了維護成本，支持將設計資源應用到新產(chǎn)品上。

Altera SoC FPGA

作為2011 年啟動(dòng)的“嵌入式計劃”的一部分，ALTEra 為嵌入式系統市場(chǎng)提供28-nm基于A(yíng)RM的SoC FPGA.這些Altera 產(chǎn)品具有：

■先進(jìn)的硬核ARM處理器、外設和高速互聯(lián)。

■片內Altera FPGA 架構、第二個(gè)存儲器控制器以及PCI Express（PCIe）接口。

■支持已有內容和IP集成的設計工具。

■采用或者不采用硅片，加速軟件開(kāi)發(fā)的仿真環(huán)境。

硅片

在28-nm 工藝節點(diǎn)，Altera 使用了定制方法，在A(yíng)rria V 和Cyclone V FPGA 系列中提供ARM處理器，以滿(mǎn)足多種嵌入式應用需求。在相同的TSMC 28-nm 低功耗（28LP）工藝上生產(chǎn)的兩種系列產(chǎn)品都能夠滿(mǎn)足嵌入式系統的系統低功耗和低成本需求。

Altera 的Cyclone V FPGA 系列非常適合對功耗和體積要求較高的應用，而Arria VFPGA 系列在體系結構上為滿(mǎn)足高性能嵌入式應用而量身定制。

Altera ARMHPS（圖4）在全功能HPS中結合了雙核ARMCortex-A9 MPCore處理器、存儲器控制器以及外設IP.28-nm 工藝節點(diǎn)的高性能雙核ARMCortex-A9 MPCore 處理器工作速率高達800 MHz.雙核配置實(shí)現了靈活的SoC FPGA 產(chǎn)品，其性能能夠進(jìn)一步滿(mǎn)足未來(lái)的需求。內置NEON媒體處理引擎和雙精度浮點(diǎn)單元為多媒體和信號處理應用提供了標準化加速功能。每個(gè)內核32 個(gè)32-KB Level-1 高速緩存，在512-KB 共享Level-2 高速緩存的支持下，通過(guò)減小延時(shí)和存儲器訪(fǎng)問(wèn)時(shí)間，有助于提升性能。

圖4. 基于A(yíng)RM的硬核處理器系統簡(jiǎn)介

除了ARM內核本身，HPS還包括SDRAM控制器子系統、通用外設陣列，以及高速片內互聯(lián)。外設組包括增強閃存控制器、MMC、DMA、USB 2.0、以太網(wǎng)、UART、SPI 和GPIO 接口。最后，Altera 獨特的片內總線(xiàn)體系結構通過(guò)高速互聯(lián)連接了HPS和FPGA，總帶寬大于125-Gbps.

在片內Altera FPGA 中實(shí)現了專(zhuān)用邏輯。由于能夠長(cháng)期穩定的為Cyclone V 和Arria VFPGA 系列提供支持，Altera 產(chǎn)品在正常工作條件下，使用壽命一般能夠達到20 年以上。

快速系統設計工具

Altera 的Quartus II 開(kāi)發(fā)軟件提供了高效的設計環(huán)境，幫助開(kāi)發(fā)人員迅速實(shí)現基于A(yíng)RM的SoC.所包含的Qsys系統集成工具在IP功能和子系統之間自動(dòng)生成互聯(lián)邏輯，從而顯著(zhù)縮短了設計時(shí)間，減輕了設計工作量。對于使用AMBA等通用接口標準和協(xié)議編寫(xiě)的IP，Qsys自動(dòng)識別IP，將其與SoC 連接。利用這一工具，很容易實(shí)現重用功能，在一片SoC FPGA 中同時(shí)使用已有或者第三方IP單元以及不同的標準接口。此外，開(kāi)發(fā)人員很容易利用現有的內容，迅速實(shí)現FPGA 開(kāi)發(fā)。

軟件開(kāi)發(fā)

軟件開(kāi)發(fā)是開(kāi)發(fā)嵌入式系統時(shí)非常重要的工作。出于這一原因，嵌入式軟件開(kāi)發(fā)人員一般使用名為“虛擬目標”的仿真環(huán)境，在能夠使用硅片之前，編寫(xiě)、仿真并調試軟件。利用Altera SoC FPGA 虛擬目標仿真環(huán)境，開(kāi)發(fā)人員即使在拿到第一個(gè)硅片之前，也能夠開(kāi)始寄存器和二進(jìn)制兼容軟件開(kāi)發(fā)。設計人員通過(guò)使用虛擬目標，提前完成大部分軟件開(kāi)發(fā)工作，降低了設計風(fēng)險，更迅速的將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

結論

與以往相比，目前的嵌入式系統開(kāi)發(fā)人員必須面對激烈的競爭，迅速應對多變的標準、協(xié)議和需求，以更少的資源滿(mǎn)足越來(lái)越高的各種市場(chǎng)需求。含有硬核處理器內核的SoC FPGA 不但支持設計人員解決這些設計難題，而且還幫助他們獲得了明顯的產(chǎn)品及時(shí)面市、價(jià)格/ 性能、突出產(chǎn)品特點(diǎn)以及長(cháng)壽命產(chǎn)品等優(yōu)勢。與傳統方案相比，現在已經(jīng)到達了一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，基于FPGA 的SoC 成為可行而且是首選的方法，必將在市場(chǎng)上獲得廣泛應用。