有時，微控制器本身可以完全吸收設計的所有功能要求。對于絕大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)設計而言，編程良好，高度集成的嵌入式處理器是工程師可以使用的最具成本效益，功效最高，速度最快的解決方案。
當原始性能至關重要時，捕獲的邏輯專用硬件可實現(xiàn)最高性能。例如，定序器可以比軟件中實現(xiàn)的相同邏輯快一個數(shù)量級。由于分立邏輯器件占用大量空間和功率，因此添加FPGA是一種可行的替代方案。在許多情況下，F(xiàn)PGA和微控制器的組合是一個很好的解決方案。當微控制器在FPGA的邏輯中實現(xiàn)時，可以實現(xiàn)更密集的解決方案。作為硬編碼的宏，或者在每個新設計中被替換和布線的軟宏，整個微控制器吸收到FPGA的房子不僅可以產(chǎn)生最高的密度，而且可以產(chǎn)生最大的靈活性，特別是如果你足夠勇敢地修改核心以提高性能。本文著眼于在現(xiàn)有FPGA中快速運行的微核。這些可以從各種獲得，包括開放和封閉，免費和IP許可。
比原始版本更好
可以使用傳統(tǒng)架構和專有架構，每種架構都有優(yōu)勢。傳統(tǒng)內(nèi)核與傳統(tǒng)微處理器兼容，并提供熟悉的體系結構。您公司生產(chǎn)的產(chǎn)品可以使用已經(jīng)過測試和驗證的代碼。當需要下一代產(chǎn)品甚至是新的改進模型時，組織良好且可靠的代碼庫的可重用性可以節(jié)省大量時間。
幾種流行的內(nèi)核已經(jīng)以原始邏輯形式實現(xiàn)了各種各樣的FPGA系列包括諸如Microchip PIC，Intel 8051，Atmel AVR，Motorola 6502，Intel 8080和Zilog Z80微控制器等處理器。一個不那么明顯的優(yōu)點是能夠改進初始化建筑。如果時間和資源允許，可以克服缺點，因為您可以修改設計。例如，非常流行的8051架構最初采用有序架構，每條指令需要12個時鐘周期。精確的傳統(tǒng)實現(xiàn)可以反映初始功能，或者可以實現(xiàn)更現(xiàn)代的風格，減少每條指令的時鐘周期數(shù)。
改進的8051 IP內(nèi)核也可用于跨平臺開發(fā)。 R8051XC2-BF核心?可用于ASIC或Xilinx和Altera FPGA;它通過添加第二個數(shù)據(jù)指針(初始設計的缺點)和JTAG調(diào)試接口(圖1)改進了初始設計。
圖1：傳統(tǒng)核心的商業(yè)可用實現(xiàn)通常會改進初始的離散設計。這個8051內(nèi)核每個指令運行一個時鐘，并添加JTAG和第二個數(shù)據(jù)指針。
ARM內(nèi)核雖然許多設計可以使用8位內(nèi)核，但現(xiàn)代功能可能需要更高的總線寬度來簡化處理。如果您正在操作24位寬的圖形數(shù)據(jù)，則單個32位傳輸比三個8位傳輸更有效。
最流行的32位架構也許是ARM?Cortex?，令人驚訝的是，它已成為FPGA實現(xiàn)的流行且受到良好支持的架構。從面積和功耗角度來看，ARM Cortex非常高效?？蓴U展的架構得到眾多工具和開發(fā)套件的很好支持，以及外圍設備，內(nèi)存管理，數(shù)學和DSP功能的開源代碼。
ARM內(nèi)核的一個很好的特性是它們不屬于一個FPGA制造商，可以在不同制造商的設備上實現(xiàn)。這意味著隨著設計的發(fā)展或需求的變化，您不會被鎖定在一個供應商中。另一個好處是，架構可以從更簡單，功能更少的Cortex M0擴展到非常高端的多核A8和A9風格。此外，還具有經(jīng)過賽道驗證的驅(qū)動程序和堆棧，可用于高端外設，如USB，以太網(wǎng)，Wi-Fi，ZigBee，藍牙等。
Xilinx系列產(chǎn)品是嵌入式微核的大支持者，而ARM架構也不例外。像XC5VLX50-1FFG676C這樣的器件是XilinxVirtex?5系列的一部分，它是一個非常大，密集，高端的FPGA的例子，它可以在芯片上安裝一個快速而密集的系統(tǒng)。 550 MHz器件具有440個I/O和超過46，000個邏輯模塊，不僅支持ARM內(nèi)核功能，還支持高達72位寬的存儲器寬度，流水線操作，F(xiàn)IFO，具有高達16.4 Mbits內(nèi)部塊存儲器的雙端口存儲器和DSP功能。
Microsemi是另一家提供ARM內(nèi)核支持的FPGA制造商，ProASIC3系列是一款優(yōu)秀的目標技術，具有令人印象深刻的低端到高端邏輯，I/O，RAM和門數(shù)15，000到3，000，000。一個很好的例子是A3PE3000-FGG484具有341個I/O和516 Kbits的內(nèi)部RAM。
Altera具有可比較的部件，如EP3SL50F780C4N，它同樣支持ARM核心處理器，并為DDR，DDR2，DDR3，SDRAM提供內(nèi)存支持更多，最多24個模塊化I/O bank，448 I/O(系列中最多744個)。作為Stratix?III系列的成員，Altera可以訪問Altera Mega-Function合作伙伴計劃(AMPP)，以獲取可用的外設，內(nèi)核和支持。 Altera還通過其Altera MegaCore功能支持多種知識產(chǎn)權(圖2)。
圖2：高端32位ARM架構是許多FPGA的流行核心。該Altera版本增加了多核調(diào)試和跟蹤功能，簡化了單個FPGA內(nèi)多個實例化處理器內(nèi)核的設計。
專有內(nèi)核
除了行業(yè)標準的微控制器內(nèi)核外，F(xiàn)PGA制造商還提供專有內(nèi)核，這些內(nèi)核具有非常高的邏輯效率，可擴展至8至32位的性能水平。這些供應商的關鍵不是在不需要的功能和外圍設備上浪費邏輯;經(jīng)?？s減，實現(xiàn)了裸機處理單元，以提供基本的可編程性和FPGA內(nèi)部大型邏輯池的接口。這不僅可以讓內(nèi)核快速運行，而且還可以保持它們足夠小，以便在SoC內(nèi)部創(chuàng)建自己的雙核，四核甚至八核處理器。
Xilinx指定Blaze這樣的內(nèi)核，可以同時使用PicoBlaze和MicroBlaze口味。 PicoBlaze是一種8位RISC架構，具有高達240 MHz的性能。它主要設計用于VHDL設計流程，并作為VHDL源文件提供。一旦在13個不同的Xilinx系列中實現(xiàn)，它就不需要外部元件，完全在主機部分內(nèi)部運行。
支持的系列包括Kinetex-7，Artix-7，Virtex(4，5，6，7，II-Pro) )和Spartan?(3和6)。從資源和復雜性的角度來看，PicoBlaze是Spartan(雙關語)。它具有一個16 x字節(jié)寬的通用數(shù)據(jù)寄存器，1K可編程片上程序存儲器(在FPGA配置期間自動加載)，一個帶有CARRY和ZERO指示器標志的字節(jié)寬運算邏輯單元(ALU)，64字節(jié)內(nèi)部暫存器RAM，256個輸入和256個輸出端口，便于擴展和增強。另一方面，它具有可預測的性能，每條指令總是兩個時鐘周期，高達240 MHz(或Virtex-4中的100 MIPS) FPGA)和88 MHz(或Spartan-3 FPGA中的44 MIPS)。 PicoBlaze對Xilinx用戶免費提供，并附帶匯編程序和VHDL源代碼。
高端是Xilinx MicroBlaze。這是一個32位RISC Harvard架構軟核處理器內(nèi)核，具有32個通用32位寄存器，ALU，針對嵌入式應用優(yōu)化的豐富指令集，三級MMU/MPU支持等。
靈活性該核心(圖3)允許您選擇性能優(yōu)化的五級流水線，使用Kinetix-7系列(例如XC7K70T-1FBG676C)或3級流水線區(qū)域優(yōu)化版本可實現(xiàn)高達317 DMIPS在Xintex-7或Virtex-6和7系列器件(如XC6VLX130T-1FFG784C)上仍然可以達到令人尊敬的264 DMIPS。
圖3：用于Xilinx FPGA的專有32位MicroBlaze內(nèi)核有條件編譯指令允許你添加你需要的塊，并消除你不保存邏輯和提高密度的塊。
Altera還提供了一個名為NIOS的專有內(nèi)核，現(xiàn)在是第二代NIOS II版本(圖4) 。作為業(yè)界使用最廣泛的軟處理器，它具有功率靈敏度和安全關鍵(DO-254)兼容性的實時性能。
圖4：Altera的第二代NIOS II內(nèi)核被譽為FPGA中使用最廣泛且支持的IP內(nèi)核，并帶來了許多開發(fā)和調(diào)試功能。
六級流水線NIOS內(nèi)核可以實現(xiàn)少至600個邏輯單元和特征向量中斷控制，緊密內(nèi)存和DSP耦合，以及添加自定義指令(最多256個)的能力。它可以使用內(nèi)存管理單元(MMU)，并在開源和商業(yè)支持的版本中支持嵌入式Linux。
可行的替代方案
您的設計細節(jié)將決定您是應該選擇硬宏還是軟宏。硬宏占用FPGA內(nèi)部的特定位置和資源，但硬編碼宏的特性更好，可以實現(xiàn)更好的性能。
軟宏也可以實現(xiàn)良好的性能，特別是如果你足夠勇敢修改，改進，或平行他們。一如既往，良好的設計實踐將產(chǎn)生最佳結果?？傊?，當需要盡可能高的密度和/或性能時，選擇FPGA內(nèi)部的軟處理器而不是傳統(tǒng)的微控制器及其所有支持電路可能在靈活性，效率，性能，功耗和空間方面，這是一個更好的解決方案。
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