FPGA技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)嵌入式應(yīng)用驅(qū)動(dòng)向可編輯SoC發(fā)展

嵌入式系統(tǒng)如今已“無(wú)處不在”，而由于FPGA的創(chuàng)新，嵌入式系統(tǒng)里使用FPGA變得非常通用。在最近由UBM展開(kāi)的一次嵌入式調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，接近45%的嵌入式設(shè)計(jì)師計(jì)劃在下一個(gè)嵌入式項(xiàng)目中使用FPGA，并且很多客戶在嵌入式系統(tǒng)中同時(shí)使用微處理器和FPGA，這將驅(qū)動(dòng)FPGA向SoC FPGA或可編輯SoC發(fā)展。

“而在嵌入式設(shè)計(jì)中，提高系統(tǒng)性能的同時(shí)降低系統(tǒng)功耗、減少面積都是常見(jiàn)的問(wèn)題。隨著FPGA沿著摩爾定律發(fā)展以及通過(guò)使用硬核IP，可以在FPGA器件里集成更高級(jí)的功能，比如固化存儲(chǔ)器控制器、PCIe模塊，增加收發(fā)器數(shù)目和速度。同時(shí)借助更先進(jìn)的工藝，我們可以得到功耗降低和性能提高的好處。”Altera亞太區(qū)產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理謝曉東表示。

虛擬目標(biāo)占據(jù)先機(jī)

借助虛擬目標(biāo)和FPGA在環(huán)，使客戶可以在硬件開(kāi)發(fā)前進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。

軟件的開(kāi)發(fā)通常在嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期中占絕對(duì)重要的位置。FPGA一直面臨設(shè)計(jì)復(fù)雜度增加的煩惱，而SoC FPGA可讓這一切迎刃而解。“由于它集成了ARM處理器，因此對(duì)于軟件開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，這些器件繼承了使用廣泛而且熟悉的ARM輔助系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。這些器件也由Altera的高效能硬件開(kāi)發(fā)工具提供支持，特別是Quartus II軟件和Altera的Qsys系統(tǒng)集成工具。”謝曉東介紹說(shuō)。

謝曉東進(jìn)一步提到，利用Qsys進(jìn)行系統(tǒng)集成非常方便，只需選擇需要的IP，通過(guò)GUI界面將他們連接起來(lái)。Qsys能夠自動(dòng)生成互聯(lián)邏輯(地址/數(shù)據(jù)總線連接、總線寬度匹配邏輯、地址解碼邏輯以及仲裁邏輯等)。Qsys兼容業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)接口IP，比如Avalon總線接口和AXI總線接口。Qsys現(xiàn)在支持100多個(gè)IP組件，今后還會(huì)有更多的兼容IP，客戶也可以通過(guò)Qsys設(shè)計(jì)自定義的IP。

而最具革命的方面是Altera的SoC FPGA虛擬目標(biāo)。謝曉東指出，Altera SoC FPGA虛擬目標(biāo)是對(duì)雙核ARMCortex-A9嵌入式處理器系統(tǒng)的快速功能仿真。在PC上，該仿真平臺(tái)運(yùn)行Linux或者VxWorks操作系統(tǒng)，并且加入FPGA在環(huán)。客戶可以對(duì)實(shí)際開(kāi)發(fā)電路板進(jìn)行建模，虛擬目標(biāo)與其仿真的實(shí)際硬件二進(jìn)制和寄存器兼容，當(dāng)拿到芯片之后，不需修改就能夠在虛擬目標(biāo)調(diào)試通過(guò)的程序下載到硬件中運(yùn)行。

目前Altera正與工業(yè)界領(lǐng)先公司合作進(jìn)行評(píng)估和開(kāi)發(fā)針對(duì)SoC FPGA的應(yīng)用。借助虛擬目標(biāo)和FPGA在環(huán)，使客戶可以在硬件開(kāi)發(fā)之前進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)，從而實(shí)現(xiàn)FPGA所具有的先進(jìn)特性。

應(yīng)用要求高效低功耗

SoC FPGA目標(biāo)應(yīng)用市場(chǎng)需求為高效、低功耗、低成本。

SoC FPGA目標(biāo)應(yīng)用市場(chǎng)鎖定四大領(lǐng)域。謝曉東介紹說(shuō)，主要包括：

一是包括“綠色”或者節(jié)能技術(shù)的工業(yè)領(lǐng)域，例如智能電網(wǎng)、太陽(yáng)能逆變器以及更高效的工業(yè)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器等。

二是視頻處理也非常適合采用這類產(chǎn)品，比如視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)和汽車(chē)輔助駕駛即是這類應(yīng)用的兩個(gè)例子。

三是遠(yuǎn)程射頻前端、LTE基站等無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施以及交換機(jī)和路由器，這類應(yīng)用對(duì)性能的要求較高，而客戶還希望減小體積，降低功耗。

四是計(jì)算機(jī)和存儲(chǔ)。例如，每一微秒都非常重要的高速金融交易平臺(tái)以及多功能打印機(jī)、掃描儀和服務(wù)器機(jī)架管理等應(yīng)用。

而這些應(yīng)用的“共性”要求是提高效能，降低功耗和成本，減小電路板面積。Altera在今年早些時(shí)候發(fā)布的最新28nm Cyclone V和Arria V等SoC FPGA產(chǎn)品系列中采用雙核ARM Cortex-A9處理器以及硬核存儲(chǔ)器控制器和公共外設(shè)，在處理器系統(tǒng)和FPGA之間建立了高性能互聯(lián)，并實(shí)現(xiàn)了低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)，可充分滿足應(yīng)用需求。

設(shè)計(jì)取決于系統(tǒng)應(yīng)用

在當(dāng)今以系統(tǒng)為導(dǎo)向的環(huán)境下，FPGA技術(shù)必須提供多種選擇。

雖然目前28nm FPGA系列產(chǎn)品功能強(qiáng)大，但對(duì)新技術(shù)節(jié)點(diǎn)的需求已經(jīng)超出了電路設(shè)計(jì)能力，在芯片級(jí)甚至是系統(tǒng)級(jí)方面就會(huì)影響設(shè)計(jì)選擇。Altera公司主席、首席執(zhí)行官和董事會(huì)主席John Daane指出，在高速串行接口應(yīng)用中，Altera發(fā)售了Stratix V FPGA，它具有可高度靈活配置的28 Gbps收發(fā)器。不過(guò)，在當(dāng)今以系統(tǒng)為導(dǎo)向的環(huán)境下，只有業(yè)界最快的集成收發(fā)器還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。串行鏈路需要速度足夠快的控制器才能夠跟上收發(fā)器，控制器需要速度很快的片內(nèi)總線、容量足夠大速度足夠快的緩沖以支持它們，所有這些模塊必須滿足能耗要求。相應(yīng)地，Altera收發(fā)器FPGA技術(shù)必須提供多種選擇，具體取決于系統(tǒng)應(yīng)用以及使用模式。

John Daane進(jìn)一步解釋說(shuō)，比如一些選擇是在電路級(jí)，需設(shè)不同版本的收發(fā)器工作在不同速率上，實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)的能耗。其他決定是在模塊級(jí)，PCI Express Gen3或者DDR3等對(duì)性能要求很高和功耗要求很?chē)?yán)的控制器是在可程序設(shè)計(jì)單元中實(shí)現(xiàn)，還是在固定硬件中實(shí)現(xiàn)?這類模塊是應(yīng)該連接至可程序設(shè)計(jì)架構(gòu)，還是硬線連接的系統(tǒng)總線，還是都需要連接?答案取決于應(yīng)用。

談及今年目標(biāo)，John Daane提到，今年Altera將繼續(xù)在28 nm以及后續(xù)節(jié)點(diǎn)與代工線伙伴合作，不斷在工藝、器件和電路上實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新，保持公司在硅片和電路上的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。Altera將繼續(xù)深入理解各種專業(yè)應(yīng)用，從而能夠交付有助于用戶加速其設(shè)計(jì)規(guī)劃實(shí)施的IP和參考設(shè)計(jì)。