以微控制器為中心的可配置平臺是否主導(dǎo)FPGA使用？

時間：2019-01-04 16:10:01

關(guān)鍵字：中心主導(dǎo) 嵌入式處理器平臺微控制器

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　　眾所周知，F(xiàn)PGA是通過邏輯組合來實現(xiàn)各種功能的器件，幾乎可以進行任何類型的處理。過去五年間，為了突破傳統(tǒng)的通信及網(wǎng)絡(luò)等高端應(yīng)用市場局限，將FPGA引入更為廣闊的嵌入式領(lǐng)域，F(xiàn)PGA廠商已經(jīng)開始嘗試采用多核和硬件協(xié)處理加速技術(shù)。如今，隨著技術(shù)的進步，很多芯片廠商開始采用硬核或軟核CPU+FPGA的模式。

　　將FPGA裝進集成兩個Cortex-A9的微控制器中

　　從Power內(nèi)核到Arm內(nèi)核，賽靈思的轉(zhuǎn)變已經(jīng)完成。但是請注意，其最新的Zynq-7000 EPP（可擴展式處理平臺）不僅僅是在FPGA中增加了一對硬核。Zynq-7000 EPP架構(gòu)（圖1）更像是一種集成了FPGA的多內(nèi)核微控制器，而不是有多個硬核的FPGA。賽靈思的Zynq-7000 EPP系列芯片（圖2）很好的強調(diào)了這點。全部4種EPP FPGA都采用相同的雙內(nèi)核微控制器。它們的區(qū)別表現(xiàn)在FPGA規(guī)模、與FPGA相關(guān)的接口數(shù)量、DSP模塊等邏輯、PCI Express接口和高速串并轉(zhuǎn)換器等方面。

　　賽靈思的作法并非唯一。事實上，Intel和Altera聯(lián)合開發(fā)的E600C Atom也包含有40nm Arria II FPGA。Altera公司也有使用ARM硬核的計劃。

　　由此可見，目前更大的問題是：向以微控制器為中心的可配置平臺的發(fā)展趨勢，是否會主導(dǎo)FPGA的使用。很多業(yè)內(nèi)人士目前對此表示懷疑。軟核在新的FPGA項目中已經(jīng)占主要地位，但硬核通常更加高效，而且也更容易使用。

　　那么Zynq-7000微控制器中究竟有什么呢？首先它有一對800MHz的Cortex-A9 MPcore，這種內(nèi)核除了雙精度浮點單元外，還支持NEON SIMD。處理引擎的其它部分比較常見，有32KB的指令與數(shù)據(jù)緩存以及512KB的二級緩存。

　　Zynq-7000內(nèi)有256KB的RAM，還可以通過內(nèi)存控制器連接片外存儲器，片外存儲器類型支持DDR2/3、LPDDR2、QSPI、NOR和NAND閃存。系統(tǒng)甚至支持從QSPI器件安全啟動。處理器可以裝載FPGA配置信息。有個普通的AXI-4接口，用于鏈接FPGA。目前許多賽靈思和第三方IP都支持AXI-4接口。

　　模擬方面的支持沒有作更多的擴展，但還是有一個16通道、雙路12位ADC，處理速度可達1Msample/s。這種ADC還能訪問片上傳感器，并且同樣受FPGA邏輯的控制。

　　Zynq-7000系列芯片有8個DMA通道，可支持ADC和其它通信外設(shè)，包括一對USB 2.0 OTG接口和兩個三模千兆以太網(wǎng)接口，還有兩個SD/SDIO、UART、CAN、I2C和SPI接口。

　　看起來這像是一個典型的高性能多內(nèi)核微控制器，實際上確實如此。電源管理部分與其它平臺相比，絲毫也不遜色。性能以每個內(nèi)核為基礎(chǔ)進行管理。FPGA支持時鐘選通，但不能像微控制器或其它外設(shè)那樣斷電。

　　Zynq-7000系列芯片得到了賽靈思Platform Studio軟件開發(fā)套件（SDK）中基于Eclipse開發(fā)環(huán)境的支持。其中的微控制器還得到了ARM Development Studio 5（DS-5）和ARM RealView Development Suite（RVDS）的支持。FPGA開發(fā)可以采用賽靈思的ISE Design。

　　Zynq-7000系列產(chǎn)品適用于廣泛的應(yīng)用。低端的Z-7010可以用于駕駛輔助任務(wù)或多功能打印機。Z-7020除此之外還可以支持LTE應(yīng)用。Z-7030和Z-7040增加了高速串行接口，可訪問PCI Express外設(shè)，因此是高端路由器的理想之選。所有Zynq-7000系列芯片還能用于航空和軍事環(huán)境。

　　將FPGA裝進集成兩個Cortex-A9的微控制器中

　　賽靈思的作法并非唯一。事實上，Intel和Altera聯(lián)合開發(fā)的E600C Atom也包含有40nm Arria II FPGA。Altera公司也有使用ARM硬核的計劃。

　　模擬方面的支持沒有作更多的擴展，但還是有一個16通道、雙路12位ADC，處理速度可達1Msample/s。這種ADC還能訪問片上傳感器，并且同樣受FPGA邏輯的控制。

　　FPGA和Atom混合的可配置平臺

　　Intel的E600C是一種業(yè)界期待已久的Atom/FPGA混合產(chǎn)品，它將E600系統(tǒng)級芯片和Altera的中等規(guī)模40nm Arria II FPGA整合在一起。Intel的E600C（圖1）包含全部E600元件，其中包括Intel高解晰度音頻支持電路和集成的圖形媒體加速器（GMA）。E600C的兩個PCI Express串并轉(zhuǎn)換器用來與FPGA通信，兩個保留給片外連接，還有一個可以連接各種第三方中央控制器或Intel公司自己的EG20T平臺控制器中心。

　　使用PCI Express使得E600可以成為控制FPGA的理想平臺，因為帶硬件PCI Express串并轉(zhuǎn)換器的FPGA已經(jīng)很常見。E600和E600C的區(qū)別主要有兩點：首先，E600將所有功能都集成進了單個封裝；其次，E600使用一對x1 PCI Express鏈路。FPGA和Atom之間的帶寬加倍對許多應(yīng)用來說都有重要的意義。

　　Atom和FPGA芯片被集成進了外形尺寸為37.5mm x 37.5mm、球間距為0.8mm的單個BGA封裝中（圖2）?？梢酝ㄟ^引腳訪問Arria的350個I/O和3.25GHz串并轉(zhuǎn)換器端口。

　　Atom處理器的TDP與普通E600相同，范圍從2.7W至3.6W。整合平臺的TDP范圍從4W至6W不等，取決于具體平臺。Atom支持許多電源管理狀態(tài)，但FPGA不支持。

　　Intel提供技術(shù)支持，但FPGA工具由Altera提供，其中包括Quartus II開發(fā)環(huán)境。FPGA架構(gòu)支持傳統(tǒng)Altera FPGA可以處理的所有IP，包括軟核處理器，如Altera的NIOS II、Cortex-M1以及飛思卡爾的V1 ColdFire。Altera NIOS II開發(fā)工具可用于NIOS II軟件的開發(fā)。Arm Cortex-M1和Freescale ColdFire也有許多合適的開發(fā)工具。現(xiàn)有的x86開發(fā)工具可以支持Atom。

　　E600C代表了Intel和Altera的革新方向。與Intel/Achronix在高性能的21nm FPGA上的合作相比，E600C這種組合是一種完全不同的合作方式。前者是一種使用Intel技術(shù)的獨立FPGA，后者是將Altera硬件集成到Intel平臺上。

　　總之，Atom和Arria II之間的配合是比較理想的。Arria II不像Stratix平臺那樣要超越Atom，Arria對PCI Express的支持也能很好地匹配Atom的功能。將標準FPGA平臺連接到Atom有可能使這種配置比片外FPGA有更高的普及率。這種方法可以更好地簡化對FPGA的支持，并從Atom提供標準接口。