FPGA與ARM核結合實(shí)現功能互補

隨著(zhù)FPGA技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng )新，使RISC處理器與FPGA集成、兩種系統的融合與優(yōu)化成為新一代FPGA的發(fā)展趨勢。

如今，FPGA技術(shù)正處在高速發(fā)展時(shí)期，芯片規模越來(lái)越大，集成度越來(lái)越高，速度不斷提高，性能不斷提升，功耗也越來(lái)越低。FPGA憑借其強大的并行信號處理能力，在應對控制復雜度低、數據量大的運算時(shí)具有較強的優(yōu)勢。但是在復雜算法的實(shí)現上，FPGA卻遠沒(méi)有32位精簡(jiǎn)指令集計算機(RISC)處理器靈活方便，所以在設計具有復雜算法和控制邏輯的系統時(shí)，往往需要RISC和FPGA結合使用。這樣，電路設計的難度也就相應地增加。

RISC和FPGA結合成發(fā)展趨勢

RISC處理器與FPGA集成，減小了硬件電路的復雜性和體積，降低了功耗，提高了可靠性。

FPGA技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng )新使RISC處理器與FPGA集成，從而大大減小了硬件電路復雜性和體積，同時(shí)也降低了功耗，提高了系統可靠性，兩種系統的融合與優(yōu)化成為新一代FPGA的發(fā)展趨勢。

2010年，FPGA廠(chǎng)商Xilinx和Altera先后聯(lián)手英國ARM公司瞄準下一代消費電子、汽車(chē)及工業(yè)電子應用領(lǐng)域，推出了各自的FPGA內嵌ARM硬核嵌入式處理器架構。與傳統嵌入式微處理器概念不同，基于A(yíng)RM的FPGA單片系統通過(guò)內部高速總線(xiàn)有效的提升系統間信號傳遞的速度與穩定性，擺脫了PCB布線(xiàn)線(xiàn)寬對信號帶寬的限制。在降低PCB布局布線(xiàn)復雜程度的同時(shí)，極大程度地縮小了芯片尺寸。作為高性能、低成本協(xié)處理器的最佳選擇，FPGA為處理器提供了硬件加速的空間。同時(shí)，FPGA龐大的可編程邏輯資源與靈活的可重配置能力使系統級芯片可以在內部進(jìn)行軟、硬件升級，解決了由升級系統功能帶來(lái)的更換外部設備帶來(lái)的成本問(wèn)題。

作為邁入嵌入式系統領(lǐng)域的第一步，Altera和Xilinx(賽靈思)都成功地將片上系統硬核融入可編程邏輯。其中Xilinx僅與ARM合作，而Altera則提供更多嵌入式硬核的種類(lèi)。然而兩種系統的組合均可以根據實(shí)際應用需求進(jìn)行優(yōu)化與裁剪。Altera和Xilinx在2011年提出了以ARM為核心的可擴展式處理器平臺。其中可編程邏輯僅作為可訪(fǎng)問(wèn)硬件資源被集成在A(yíng)RM系統中。較以往的ARM處理器，這種可拓展式的嵌入式平臺具有動(dòng)態(tài)配置可編程邏輯的功能，可在需要時(shí)提升處理器速度，擴展處理器緩存容量。在FPGA與ARM系統接口方面，賽靈思提出的帶有可編程邏輯的ARM系統解決了將FPGA嵌入ARM核方案中遇到的帶寬問(wèn)題。

FPGA與ARM核結合實(shí)現功能互補

兩種高集成度芯片的融合將對已有的基于A(yíng)RM和FPGA嵌入式系統重新定義。

FPGA與ARM融合的價(jià)值不僅僅體現在處理器性能的提升上。

用于視頻監控領(lǐng)域的基于A(yíng)RM的FPGA能夠進(jìn)行高級決策與控制處理，并管理復雜的控制系統結構和多個(gè)并行數據接入，同時(shí)進(jìn)行高性能低延遲的信號處理，以通過(guò)分布式/遠程智能視頻系統對各種行為進(jìn)行監控、分析和比較，并做出正確的行為決策。用于汽車(chē)電子領(lǐng)域的ARM嵌入式系統能夠方便的連接到最新傳感器技術(shù)，通過(guò)可編程邏輯的高性能并行處理能力處理多個(gè)數字信號輸入(視頻、雷達、紅外等)，并能快速將數據傳輸給ARM處理系統進(jìn)行分析、比較，然后做出反應，并在汽車(chē)電子系統框架中進(jìn)行通信。另外，用于通信領(lǐng)域的FPGA芯片內部集成了高頻無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊。該類(lèi)型FPGA與ARM的結合將給軟件無(wú)線(xiàn)電提供片上系統的可能，使得無(wú)線(xiàn)電基站設計建設向低成本、低功耗和小型化發(fā)展。用于信號處理和工業(yè)控制領(lǐng)域的FPGA芯片通常不集成模數/數模轉換功能。

然而在系統原型驗證過(guò)程中，高速模數轉換器的電路板設計一直是影響信號處理算法效率的首要因素。利用ARM系統內部硬件資源實(shí)現具有高可靠性的片內信號離散化過(guò)程是縮短驗證周期的有力保障。用于智能移動(dòng)終端領(lǐng)域的FPGA由于其強大的并行處理能力常用作協(xié)處理器，而ARM出色的圖像處理性能已經(jīng)顛覆了智能手機、平板電腦等領(lǐng)域。將這兩種高集成度的芯片融合成為單芯片片上系統，將對已有的基于A(yíng)RM和FPGA嵌入式系統重新定義。由此可見(jiàn)，FPGA與ARM的結合實(shí)現了各自應用領(lǐng)域中所需功能的互補。

ARM處理器與FPGA可編程邏輯相結合，提供了巨大的串行和并行處理能力，發(fā)揮了FPGA邏輯控制對大量數據進(jìn)行高速處理的優(yōu)勢以及ARM軟件編程靈活的特點(diǎn)。這不僅簡(jiǎn)化了ARM與FPGA之間的通訊，也使片外擴展存儲器以及與外設通訊變得相對簡(jiǎn)單;同時(shí)通過(guò)在FPGA中嵌入各種IP軟核和用戶(hù)控制邏輯/復雜算法控制邏輯以實(shí)現各種接口和控制任務(wù)?；贏(yíng)RM的FPGA能夠對邏輯資源進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，實(shí)現時(shí)間的時(shí)分復用，靈活快速地改變系統功能，節省邏輯資源，能夠滿(mǎn)足大規模應用的需求，是未來(lái)FPGA重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域之一。