可配置平臺：殊途同歸
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作者：穆強,EDN CHINA 執行主編
時(shí)間：2005-09-04
來(lái)源：EDN電子設計技術(shù)
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可配置平臺：殊途同歸
盡管實(shí)現的方法各有差異，但是設計界努力的目標是一致的，即尋求一種能夠滿(mǎn)足功能性要求，又能夠保持足夠靈活性的可配置設計平臺。
在FPGA誕生后的頭十年中，它與ASIC所服務(wù)的市場(chǎng)可以說(shuō)是涇渭分明，大家過(guò)得也算是相安無(wú)事?？墒呛髞?lái)，尤其是最近的五年中，工業(yè)界的價(jià)值標準發(fā)生了深刻的變化：主頻和線(xiàn)寬不再成為衡量一件產(chǎn)品優(yōu)劣的唯一指標，倒是“面市時(shí)間”這個(gè)反映實(shí)現能力的詞匯常常掛在人們嘴邊。也就是說(shuō)，工業(yè)界對于設計響應市場(chǎng)變化的靈活性提出了更高的要求。恰逢此時(shí)，經(jīng)濟衰退中半導體工藝升級步伐的減緩將ASIC拖入了高成本的泥潭，因此以FPGA為代表的可編程技術(shù)越發(fā)顯現出它的“侵略性”，不斷在應用市場(chǎng)中攻城掠地，蠶食ASIC的市場(chǎng)空間。
雖然關(guān)于“ASIC和FPGA采用誰(shuí)”的爭論由來(lái)已久，但歸根結底就是設計界希望在功能性和靈活性之間找到一種均衡，達到“魚(yú)和熊掌兼得”的境界。在對這兩“性”有著(zhù)鮮明需求傾向的領(lǐng)域，選擇誰(shuí)自不必說(shuō)，因此大家爭奪的焦點(diǎn)就落在了要功能性和靈活性兼顧的“中間地帶”。在過(guò)去的幾年中，我們已經(jīng)看到了ASIC和FPGA兩個(gè)陣營(yíng)為此進(jìn)行的努力。從現在的形勢上看，ASIC陣營(yíng)的步伐似乎要慢半拍，他們的努力大多還是集中在對ASIC產(chǎn)品制造及升級成本的削減方面，結構化ASIC的出現就是一個(gè)例子（參見(jiàn)附文《從ASIC逼近》）。而目前市場(chǎng)中比較成熟的、符合“不大改動(dòng)系統平臺的情況下具有改變系統特性和行為的靈活性”定義的可配置設計平臺，大多來(lái)自于FPGA廠(chǎng)商。
目前設計界在“可配置平臺”的實(shí)現上，基本上是因循著(zhù)“微處理器+可編程邏輯”的思路進(jìn)行的。那么不同可配置平臺間的差異性，很大程度上就體現在對微處理器和可編程邏輯的設計和選擇上。
硬核平臺
面對廣大的嵌入式應用，CPU往往是系統最終性能表現優(yōu)劣的關(guān)鍵。因此FPGA廠(chǎng)商往往會(huì )選擇在FPGA中集成硬核CPU以及其他外圍模塊的方式，創(chuàng )造出一種滿(mǎn)足高性能應用的器件類(lèi)型。
在硬核CPU的選用上，Xilinx公司采用的是PowerPC 405，這是一個(gè) 32位RISC核，將其集成在Xilinx的Virtex-Ⅱ Pro器件中后，工作頻率可以達到400MHz，性能超過(guò)了600DMIPS，這一出眾的性能使Virtex-Ⅱ Pro受到網(wǎng)絡(luò )電信、音視頻處理等高端應用的青睞。
與Xilinx不同，另一家FPGA廠(chǎng)商Altera公司在設計基于硬核的可配置平臺時(shí)，選用了公開(kāi)授權的ARM922架構，這是一個(gè)主頻可以達到200MHz的32位RISC內核，它與Altera的APEX FPGA架構集成后形成了被稱(chēng)為Excalibur的系列器件，根據可編程邏輯密度和外圍模塊的不同Excalibur共有三個(gè)型號。Altera公司IP業(yè)務(wù)部副總裁Craig Lytle表示，Excalibur器件是專(zhuān)門(mén)針對喜歡采用ARM指令集架構(ISA)并尋求完整的處理器次系統來(lái)充當主處理器的客戶(hù)設計的，而且他堅定的認為，與PowerPC相比，作為可配置平臺的CPU硬核，ARM是一種更有前途的架構，這是因為“ARM的AMBA總線(xiàn)架構是事實(shí)上的行業(yè)標準，很多IP供應商已將AMBA總線(xiàn)架構標準化”，這對于平臺功能的擴展與升級是十分關(guān)鍵的。
盡管業(yè)內存在不同的聲音，Xilinx仍然對它的基于PowerPC的產(chǎn)品線(xiàn)充滿(mǎn)信心。到目前為止，Xilinx已經(jīng)付運的PowerPC內核超過(guò)了10萬(wàn)，而且在PowerPC技術(shù)的推廣上它依然在奉行著(zhù)一種“強硬”的市場(chǎng)策略，即在幾乎所有的Virtex-Ⅱ Pro器件中都加入PowerPC內核，此舉的意義在于只要是使用Virtex-Ⅱ Pro FPGA產(chǎn)品的客戶(hù)，不論其現在的設計需要微處理器內核與否，都成為了基于PowerPC平臺的潛在的使用者。根據Gartner的測算，目前在Xilinx超過(guò)10萬(wàn)的客戶(hù)中，大約有2.6%的客戶(hù)具有“激活”P(pán)owerPC內核的設計工具，有1.3%的客戶(hù)已經(jīng)在從事基于PowerPC的設計?？梢哉f(shuō)，這是目前最大的基于硬核的可配置平臺開(kāi)發(fā)社區。
表1，基于FPGA的主流可配置平臺
不過(guò)在Xilinx公司對PowerPC信心十足之時(shí)，一個(gè)微妙的變化值得留意——今年3月，Xilinx收購了一家名為T(mén)riscend的芯片公司，該公司曾經(jīng)推出一款被稱(chēng)為CSoC（Configurable System-On-Chip，可配置系統級芯片）的器件，其采用的也是一種“微處理器+可編程邏輯”的架構，而其中的CPU內核選用的是ARM7TDMI。對于這次并購，Xilinx公司亞太區高端產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理梁曉明先生的解釋是“兩家公司在技術(shù)上的聯(lián)姻可以為Xilinx公司進(jìn)入潛力巨大的嵌入式市場(chǎng)提供支持”，但這背后的潛臺詞是否是“Xilinx也在考慮在可配置設計平臺中引入ARM架構”呢？讓我們拭目以待。
Triscend公司在被收購后，其CSoC產(chǎn)品線(xiàn)及既有客戶(hù)的支持交由其原先在中國的代理北京矽正電子技術(shù)有限公司（Zylogic Semiconductor Corp.）運作。CSoC也是一種市面上可見(jiàn)到的硬核可配置平臺產(chǎn)品。雖然在架構上與剛才介紹的FPGA廠(chǎng)商推出的平臺產(chǎn)品如出一轍，但在器件設計的理念上還是存在一些差異?？傮w來(lái)說(shuō)，兩者最大的差別就在于FPGA廠(chǎng)商產(chǎn)品設計的出發(fā)點(diǎn)還是在可編程邏輯部分，而CSoC平臺則會(huì )更傾向于微處理器一邊，這就給器件中可配置功能的定義與劃分，以及開(kāi)發(fā)工具的設計帶來(lái)差異。矽正電子大客戶(hù)經(jīng)理王起龍在分析CSoC平臺特點(diǎn)時(shí)指出，與FPGA公司的硬核平臺比較，兩者最顯著(zhù)的差異是在系統總線(xiàn)上。CSoC平臺在總線(xiàn)上采用了一種Selector技術(shù)，就是通過(guò)特制的ASIC電路進(jìn)行硬件譯碼，而Xilinx的產(chǎn)品中譯碼的功能是需要占用系統可編程邏輯資源完成的，因此在這方面CSoC平臺具有更高的效率。這種以微處理器為核心的“傾向性”似乎更適合于嵌入式應用，CSoC平臺當初主攻的市場(chǎng)就是工控領(lǐng)域，由此也就不難分析出Xilinx對Triscend公司的興趣所在了。
圖1，由前Triscend公司推出的CSoC器件中集成了一個(gè)ARM7TDMI芯核，其ASIC的成分與可編程邏輯電路對硅資源的占用比例基本上是根據“二八”原則設置的。
在FPGA誕生后的頭十年中，它與ASIC所服務(wù)的市場(chǎng)可以說(shuō)是涇渭分明，大家過(guò)得也算是相安無(wú)事?？墒呛髞?lái)，尤其是最近的五年中，工業(yè)界的價(jià)值標準發(fā)生了深刻的變化：主頻和線(xiàn)寬不再成為衡量一件產(chǎn)品優(yōu)劣的唯一指標，倒是“面市時(shí)間”這個(gè)反映實(shí)現能力的詞匯常常掛在人們嘴邊。也就是說(shuō)，工業(yè)界對于設計響應市場(chǎng)變化的靈活性提出了更高的要求。恰逢此時(shí)，經(jīng)濟衰退中半導體工藝升級步伐的減緩將ASIC拖入了高成本的泥潭，因此以FPGA為代表的可編程技術(shù)越發(fā)顯現出它的“侵略性”，不斷在應用市場(chǎng)中攻城掠地，蠶食ASIC的市場(chǎng)空間。
雖然關(guān)于“ASIC和FPGA采用誰(shuí)”的爭論由來(lái)已久，但歸根結底就是設計界希望在功能性和靈活性之間找到一種均衡，達到“魚(yú)和熊掌兼得”的境界。在對這兩“性”有著(zhù)鮮明需求傾向的領(lǐng)域，選擇誰(shuí)自不必說(shuō)，因此大家爭奪的焦點(diǎn)就落在了要功能性和靈活性兼顧的“中間地帶”。在過(guò)去的幾年中，我們已經(jīng)看到了ASIC和FPGA兩個(gè)陣營(yíng)為此進(jìn)行的努力。從現在的形勢上看，ASIC陣營(yíng)的步伐似乎要慢半拍，他們的努力大多還是集中在對ASIC產(chǎn)品制造及升級成本的削減方面，結構化ASIC的出現就是一個(gè)例子（參見(jiàn)附文《從ASIC逼近》）。而目前市場(chǎng)中比較成熟的、符合“不大改動(dòng)系統平臺的情況下具有改變系統特性和行為的靈活性”定義的可配置設計平臺，大多來(lái)自于FPGA廠(chǎng)商。
目前設計界在“可配置平臺”的實(shí)現上，基本上是因循著(zhù)“微處理器+可編程邏輯”的思路進(jìn)行的。那么不同可配置平臺間的差異性，很大程度上就體現在對微處理器和可編程邏輯的設計和選擇上。
硬核平臺
面對廣大的嵌入式應用，CPU往往是系統最終性能表現優(yōu)劣的關(guān)鍵。因此FPGA廠(chǎng)商往往會(huì )選擇在FPGA中集成硬核CPU以及其他外圍模塊的方式，創(chuàng )造出一種滿(mǎn)足高性能應用的器件類(lèi)型。
在硬核CPU的選用上，Xilinx公司采用的是PowerPC 405，這是一個(gè) 32位RISC核，將其集成在Xilinx的Virtex-Ⅱ Pro器件中后，工作頻率可以達到400MHz，性能超過(guò)了600DMIPS，這一出眾的性能使Virtex-Ⅱ Pro受到網(wǎng)絡(luò )電信、音視頻處理等高端應用的青睞。
與Xilinx不同，另一家FPGA廠(chǎng)商Altera公司在設計基于硬核的可配置平臺時(shí)，選用了公開(kāi)授權的ARM922架構，這是一個(gè)主頻可以達到200MHz的32位RISC內核，它與Altera的APEX FPGA架構集成后形成了被稱(chēng)為Excalibur的系列器件，根據可編程邏輯密度和外圍模塊的不同Excalibur共有三個(gè)型號。Altera公司IP業(yè)務(wù)部副總裁Craig Lytle表示，Excalibur器件是專(zhuān)門(mén)針對喜歡采用ARM指令集架構(ISA)并尋求完整的處理器次系統來(lái)充當主處理器的客戶(hù)設計的，而且他堅定的認為，與PowerPC相比，作為可配置平臺的CPU硬核，ARM是一種更有前途的架構，這是因為“ARM的AMBA總線(xiàn)架構是事實(shí)上的行業(yè)標準，很多IP供應商已將AMBA總線(xiàn)架構標準化”，這對于平臺功能的擴展與升級是十分關(guān)鍵的。
盡管業(yè)內存在不同的聲音，Xilinx仍然對它的基于PowerPC的產(chǎn)品線(xiàn)充滿(mǎn)信心。到目前為止，Xilinx已經(jīng)付運的PowerPC內核超過(guò)了10萬(wàn)，而且在PowerPC技術(shù)的推廣上它依然在奉行著(zhù)一種“強硬”的市場(chǎng)策略，即在幾乎所有的Virtex-Ⅱ Pro器件中都加入PowerPC內核，此舉的意義在于只要是使用Virtex-Ⅱ Pro FPGA產(chǎn)品的客戶(hù)，不論其現在的設計需要微處理器內核與否，都成為了基于PowerPC平臺的潛在的使用者。根據Gartner的測算，目前在Xilinx超過(guò)10萬(wàn)的客戶(hù)中，大約有2.6%的客戶(hù)具有“激活”P(pán)owerPC內核的設計工具，有1.3%的客戶(hù)已經(jīng)在從事基于PowerPC的設計?？梢哉f(shuō)，這是目前最大的基于硬核的可配置平臺開(kāi)發(fā)社區。
表1，基于FPGA的主流可配置平臺
不過(guò)在Xilinx公司對PowerPC信心十足之時(shí)，一個(gè)微妙的變化值得留意——今年3月，Xilinx收購了一家名為T(mén)riscend的芯片公司，該公司曾經(jīng)推出一款被稱(chēng)為CSoC（Configurable System-On-Chip，可配置系統級芯片）的器件，其采用的也是一種“微處理器+可編程邏輯”的架構，而其中的CPU內核選用的是ARM7TDMI。對于這次并購，Xilinx公司亞太區高端產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理梁曉明先生的解釋是“兩家公司在技術(shù)上的聯(lián)姻可以為Xilinx公司進(jìn)入潛力巨大的嵌入式市場(chǎng)提供支持”，但這背后的潛臺詞是否是“Xilinx也在考慮在可配置設計平臺中引入ARM架構”呢？讓我們拭目以待。
Triscend公司在被收購后，其CSoC產(chǎn)品線(xiàn)及既有客戶(hù)的支持交由其原先在中國的代理北京矽正電子技術(shù)有限公司（Zylogic Semiconductor Corp.）運作。CSoC也是一種市面上可見(jiàn)到的硬核可配置平臺產(chǎn)品。雖然在架構上與剛才介紹的FPGA廠(chǎng)商推出的平臺產(chǎn)品如出一轍，但在器件設計的理念上還是存在一些差異?？傮w來(lái)說(shuō)，兩者最大的差別就在于FPGA廠(chǎng)商產(chǎn)品設計的出發(fā)點(diǎn)還是在可編程邏輯部分，而CSoC平臺則會(huì )更傾向于微處理器一邊，這就給器件中可配置功能的定義與劃分，以及開(kāi)發(fā)工具的設計帶來(lái)差異。矽正電子大客戶(hù)經(jīng)理王起龍在分析CSoC平臺特點(diǎn)時(shí)指出，與FPGA公司的硬核平臺比較，兩者最顯著(zhù)的差異是在系統總線(xiàn)上。CSoC平臺在總線(xiàn)上采用了一種Selector技術(shù)，就是通過(guò)特制的ASIC電路進(jìn)行硬件譯碼，而Xilinx的產(chǎn)品中譯碼的功能是需要占用系統可編程邏輯資源完成的，因此在這方面CSoC平臺具有更高的效率。這種以微處理器為核心的“傾向性”似乎更適合于嵌入式應用，CSoC平臺當初主攻的市場(chǎng)就是工控領(lǐng)域，由此也就不難分析出Xilinx對Triscend公司的興趣所在了。
圖1，由前Triscend公司推出的CSoC器件中集成了一個(gè)ARM7TDMI芯核，其ASIC的成分與可編程邏輯電路對硅資源的占用比例基本上是根據“二八”原則設置的。
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