User-customisable ARM-based SoCs
■ Altera公司嵌入式產(chǎn)品高級經(jīng)理 Todd Koelling
面對當今競爭激勵的市場，嵌入式系統(tǒng)設計人員不得不重新審視其設計和開發(fā)過程。系統(tǒng)越來越復雜，性能、功耗和空間限制也越來越大，傳統(tǒng)的方法已經(jīng)達到了極限。同時，不斷變化的標準、新出現(xiàn)的市場和發(fā)展趨勢都要求設計過程非常靈活，能夠積極應對這些變化。設計人員不僅需要開發(fā)更復雜的系統(tǒng)，而且還要能夠迅速實現(xiàn)新的或者衍生設計。
設計團隊有如此多的需求，因此，增加開發(fā)時間和資源以適應這些需求是合乎邏輯的，但實際上相反。越來越窄的市場窗口要求他們在更短的時間里推出更高級、更靈活的系統(tǒng)。更麻煩的是，經(jīng)濟因素的限制也迫使很多設計團隊縮減規(guī)模，而不是增加人員。他們今后要獲得成功，關鍵是采用更高效的手段來迅速實現(xiàn)功能豐富的高性能自適應產(chǎn)品。
出現(xiàn)了新的解決方案
在市場開發(fā)中有利于設計人員的一面是嵌入式系統(tǒng)的主要平臺采用了ARM處理器。僅僅幾年前，處理器市場還是四分五裂，PowerPC、RISC、MIPS和SPARC都在競爭實現(xiàn)更廣泛的應用。市場現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，在嵌入式應用中，很多用戶采用了ARM處理器作為實際的標準(圖1)。結果，越來越多的出現(xiàn)了基于ARM的解決方案，從標準產(chǎn)品到軟核ARM IP，直至在可編程邏輯和ASIC中實現(xiàn)的硬核IP等。
圖1
即使如此，通用嵌入式系統(tǒng)也很難滿足現(xiàn)代設計需求。多芯片解決方案實現(xiàn)起來相對容易一些，但是成本高，缺乏設計人員所要求的靈活性以及性能/功耗指標。采用了軟核處理器的單芯片解決方案實現(xiàn)起來也相對容易一些，但是性能有限。另一方面，ASIC SoC具有板上增強ARM內核，功耗和性能表現(xiàn)非常出色，但是對于大部分應用而言，由于開發(fā)時間長、不靈活，以及成本太高等問題，因此面市時間較長。
為提高競爭力，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員需要一種能夠幫助他們開發(fā)獨具優(yōu)勢產(chǎn)品的解決方案，非常靈活，效率也非常高。
基于FPGA的單芯片實現(xiàn)方法具有低成本和快速面市等優(yōu)點，是多芯片和ASIC SoC非常有吸引力的替代方案。實際上，在過去十年中，F(xiàn)PGA內置嵌入式處理器的應用在穩(wěn)步增長(圖2)。但是，并不是所有基于FPGA的解決方案都能夠滿足目前苛刻的需求。傳統(tǒng)上，使用基于HDL的“軟核”ARM來實現(xiàn)基于FPGA的ARM系統(tǒng)。對于密度、功耗或者性能要求不高的系統(tǒng)，這一方法是可行的，但是不一定能滿足更復雜系統(tǒng)的要求。對于不斷發(fā)展的系統(tǒng)，在FPGA平臺上結合經(jīng)過優(yōu)化的硬核ARM是很好的解決方案。
圖2
由于FPGA供應商在技術上的進步，市場上出現(xiàn)了新一類SoC器件，滿足了目前嵌入式系統(tǒng)應用的多種功能需求?；贏RM的SoC FPGA在一個SoC中結合了增強ARM處理器、存儲器控制器以及外設和可定制FPGA架構。
基于ARM的SoC FPGA (如圖3所示)在單片F(xiàn)PGA中緊密結合了經(jīng)過優(yōu)化的“硬核”處理器系統(tǒng)(HPS)模塊。HPS包括雙核ARM處理器、多端口存儲器控制器以及多個外設單元，處理器性能達到4,000 DMIPS (Dhrystones 2.1基準測試)，功耗不到1.8 W。這些硬核IP模塊提高了性能同時降低了功耗和成本，減少了對邏輯資源的占用，突出了產(chǎn)品優(yōu)勢。設計人員可以定制片內FPGA架構，開發(fā)專用邏輯。可編程功能支持靈活的通信標準和網(wǎng)絡協(xié)議。
圖3
應用實例：下一代驅動
傳統(tǒng)的驅動設計(圖4a)會采用數(shù)字信號處理器(DSP)來實現(xiàn)中央控制功能，采用網(wǎng)絡ASIC實現(xiàn)網(wǎng)絡協(xié)議，以及FPGA用于實現(xiàn)其他功能(在這個例子中，是I/O擴展)。而在SoC FPGA方案中，所有這三部分單元都集成到一個芯片中(圖4b)。SoC FPGA實現(xiàn)方案還支持多個電機、多種網(wǎng)絡協(xié)議以及安全IP，擴展了現(xiàn)有的功能，保證了控制器能夠以安全的方式停止工作，滿足業(yè)界新出現(xiàn)的安全標準要求。
單芯片方法明顯增強了性能，降低了功耗。在驅動系統(tǒng)中，控制環(huán)速率是最關鍵的性能參數(shù)。SoC FPGA控制環(huán)速率是多芯片解決方案的20倍，從100µs減小到5µs。這意味著顯著提高了功效，對應驅動90%的總體運行成本。在這個例子中，SoC的功耗大約比三芯片方案低37%。
圖4a
圖4b
SoC FPGA增強了系統(tǒng)功能，通過集成降低了系統(tǒng)總成本。通過在一個芯片中結合三個甚至更多的驅動器，減少了系統(tǒng)所需的材料。在這一例子中，采用SoC也能夠將電路板面積減小57%。而且，能夠以更低的成本實現(xiàn)更多的功能。這一例子中的SoC支持兩個電機，而多芯片方案只支持一個。與針對每一電機來復制多芯片器件配置相比，在一個芯片上支持兩個電機能夠降低53%的成本。調整FPGA SoC來支持更多的電機和集成驅動系統(tǒng)以及多種協(xié)議也很容易。
關鍵點
采用FPGA SoC技術的設計團隊能夠顯著提高效能，增強競爭優(yōu)勢。硬核IP單元實現(xiàn)了最佳性能、最低功耗和最高密度，而片內FPGA架構能夠在設計階段或者在現(xiàn)場迅速突出自身優(yōu)勢，增強或者定制實現(xiàn)功能?，F(xiàn)場可編程平臺結合了高度自動化而且提供良好支持的設計和軟件開發(fā)工具，因此，設計團隊能夠使用商用器件來開發(fā)定制SoC，開發(fā)時間要遠遠短于ASIC或者多芯片器件。最終的設計非常靈活，能夠進行更新，可以重新使用，團隊能夠迅速適應新市場和標準的變化以及快速發(fā)展的工藝節(jié)點，維持產(chǎn)品較長的生命周期。
目前的嵌入式系統(tǒng)應用與傳統(tǒng)的設計方法相比已經(jīng)到達了一個關鍵點，基于FPGA的SoC將成為可行而且是很有優(yōu)勢的解決方案。借助其強大的功能，設計人員不但能夠克服這些難以解決的問題，而且還獲得了明顯的產(chǎn)品及時面市、價格/性能、突出產(chǎn)品特點以及長壽命產(chǎn)品等優(yōu)勢。
