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作者：Altera公司SoC產品高級市場經理Todd Koelling 在大部分嵌入式系統中，處理器和現場可編程門陣列(FPGA)完成最繁重的工作。處理器和FPGA通常單獨工作，如果兩種技術能夠一起出色的協同工作，將形成功能更強大的嵌入式計算平臺。在這些系統中，處理器一般提供高級管理功能，而FPGA完成嚴格的實時操作，大量的數據處理，或者處理器不太容易支持的接口功能。 SoC FPGA器件在一個器件中成功集成了處理器和FPGA體系結構。將兩種技術合并起來具有很多優點，包括更高的集成度、更低的功耗、更小的電路板面積，以及處理器和FPGA之間帶寬更大的通信，等等。這一同類最佳的器件發揮了處理器與FPGA系統融合的優勢，同時還保留了獨立處理器和FPGA的優點。 與以前的器件設計相比，SoC FPGA的功能和性能相當甚至是更好，但是減小了電路板面積，降低了功耗和系統成本——高達50%以上。通過在一個硅片上集成這些技術，系統開發人員避免了塑料封裝的成本問題。如果設計中的CPU和FPGA使用分立的外部存儲器，那么，設計人員應該將這些合并到一個存儲器件中，進一步降低系統成本和功耗，減小電路板面積。處理器和FPGA之間的信號現在是在同一個硅片中，它們之間通信消耗的能耗要比使用分立芯片低很多。而且，處理器和FPGA之間有數千路內部連接，與兩芯片解決方案相比，集成解決方案能夠有效的提高帶寬，降低延時。 嵌入式開發人員在為自己的應用選擇最佳SoC FPGA時，需要考慮很多設計問題和工程決定。這些選擇標準包括系統性能、系統可靠性、功耗、開發工具和未來發展路線圖等。 采用SoC FPGA提高系統性能 最終，SoC FPGA中的系統性能是由能否在四個主要SoC功能之間高效移動數據來決定的，即，處理器、FPGA邏輯、互聯，以及片內和片外存儲器。 在各種應用中，系統性能主要是由數據通路性能決定的，器件應能夠以“線速”處理連續數據流，很少出現失速或者中斷。在這些應用中，FPGA邏輯處理關鍵數據通路，而處理器對控制通路進行高級管理。處理器解釋一小部分到達數據，盡量不參與數據通路的工作。 為完成這種協調的合作，現代SoC FPGA采用了ARM雙核Cortex-A9應用處理器，集成到高級28nm FPGA架構中。與其他應用處理器相比，Cortex-A9非常理想的同時實現了低功耗、功能、帶寬和性能。 專門設計了Cyclone V SoC中的互聯，FPGA邏輯和處理器之間的吞吐量高達100 Gbps以上，從而提高了系統性能，圖1。FPGA邏輯和Cortex-A9處理器之間的100 Gbps互聯保證了系統有足夠的互聯性能，支持大吞吐量數據流。 
圖1.Cyclone V SoC，FPGA和處理器之間>100 Gbps互聯 能夠有效的訪問片內和片外存儲器也使得SoC FPGA提高了系統性能。Cyclone V SoC中的硬核存儲器控制器采用了復雜算法，盡可能提高您存儲器的效率。這些算法使用缺陷權重羅賓帶等復雜算法，管理會話優先級、對命令和數據重新排序、調度未完成的會話，從而提高了存儲器帶寬。其他的性能源自通過軟件定制存儲器控制器，與定制數據指標非常符合。 評估存儲器控制器性能時，重要的是不僅僅要關注總線寬度和速度。LMbench等系統級基準測試適用于查看存儲器子系統的總體性能。在667MHz Cyclone V SoC系統上運行LMbench基準測試表明，具有智能存儲器控制器的Cyclone V SoC的存儲器帶寬更高——比競爭SoC器件高出17%，而且存儲器工作頻率降低了25%。這種在效率上的優勢支持Cyclone V SoC以更低的時鐘速率實現更大的帶寬，降低了系統功耗。 采用SoC FPGA提高系統可靠性 隨著存儲器容量的不斷增長，對錯誤探測和糾正的需求已經成為當今設計的發展趨勢。大部分現代系統包括專用硬件來幫助實現數據完整性。這包括糾錯碼(ECC)保護——不僅僅是存儲器控制器的一部分，而且還集成在處理器的片內存儲器、高速緩存、外設緩沖以及FPGA中。錯誤檢查和糾正電路使系統更可靠，系統不受意外數據錯誤或者數據損壞的影響。 存儲器保護是通常與高級處理器中的存儲器控制器相關的特性，稱之為存儲器管理單元(MMU)或者存儲器保護單元(MPU)。處理器的存儲器保護單元防止了錯誤或者非法的處理器會話讀取甚至損壞其他存儲器區。在Cortex-A9處理器中，ARM的TrustZone技術擴展了這一保護概念，為安全敏感的系統提供了系統級方法。 使用Cyclone V SoC，為操作系統和嵌入式應用軟件指定了特定的存儲器區域，而其他存儲器區域可以專門用于基于FPGA的功能，如圖2所示。通過存儲器保護，FPGA主機功能不會損壞操作系統或者嵌入式軟件區域。
圖2.SoC應用中的DDR存儲器保護，處理器和FPGA共享公共的存儲器。 集成降低功耗 新電子應用對功耗的要求越來越高——不僅僅是手持式設備，而且還有汽車應用，甚至是服務器機架等，這些都有很大的功耗和散熱預算。SoC FPGA器件是可行的解決方案，幫助嵌入式開發人員實現其功耗預算。 如圖3所示，在一片SoC FPGA中集成處理器和FPGA組件能夠把系統功耗降低10%到30%。I/O在器件之間傳送信號，通常需要較高的電壓，是應用中最耗能的組件。
圖3.在一片SoC FPGA中集成處理器和FPGA，共享外部存儲器接口，減少了高功耗的芯片間I/O連接。 簡單的集成不但降低了功耗，Cyclone V SoC還具有時鐘選通和調整等低功耗模式。處理器和FPGA還有獨立的電源平面，支持應用程序完全關斷FPGA供電，而保持處理器工作，監視任何中斷。 為優化功耗，SoC設計與電源設計的關系越來越密切。在系統級，電源供電設計有時候要比SoC器件本身功耗更大。這些系統的難點在于怎樣在減小電源供電布局和提高供電效率之間達到均衡。有很多電源供電選擇為Cyclone V SoC提供支持，高級DC-DC電源轉換器技術也為其提供支持，支持設計人員滿足嚴格的功耗預算和空間限制要求。Altera提供Enpirion電源模塊新產品，非常適合滿足基于SoC FPGA的嵌入式系統的空間和效率限制要求。 熟悉的開發工具支持SoC FPGA 集成了前沿ARM應用處理器和FPGA架構的新一類SoC器件，能夠以更低的成本，更迅速的實現低功耗電子產品，打開了新的應用空間。但是，伴隨著硬件創新，FPGA工具、片內調試、軟件調試和分析工具也應該不斷創新。軟件最終決定了設計人員能否成功的使用這些器件。為實現更廣泛的應用，軟件開發人員必須找到合適的SoC FPGA，掌握其特性，就像獨立處理器軟件開發那樣輕松高效的使用它們。 來自Altera的SoC FPGA由SoC嵌入式設計套裝(EDS)提供支持，套裝包括全套的ARM兼容工具包，支持在Altera SoC器件上開發嵌入式軟件。它包括開發工具、實用工具程序、運行時軟件，以及應用實例，幫助您迅速開始SoC嵌入式系統的固件和應用軟件開發。Altera和ARM之間這種非常重要的關系導致SoC EDS提供了獨特的Altera版ARM Development Studio 5 (DS-5)工具包。ARM DS-5高級多核調試功能與FPGA自適應功能相結合——能夠立即看到FPGA硬件中的改動，無縫鏈接至Altera的SignalTap邏輯分析器，這一SoC EDS工具包幫助嵌入式軟件開發人員獲得了前所未有的全芯片可視化和控制能力。 當調試出現問題時，開發團隊必須能夠確定這是硬件還是軟件問題。支持Altera SoC FPGA的工具實現了處理器子系統和FPGA子系統之間代碼和波形的交叉觸發，或者從波形到代碼的觸發，很容易找到導致這些問題的原因。結果，開發團隊能夠找到并跟蹤系統中某一狀態是怎樣出現的，為什么出現。交叉觸發、跟蹤和全局時間戳是IP驗證、定制驅動開發以及工程中系統集成部分非常重要的特性。 除了找到故障位置之外， SoC EDS還幫助嵌入式系統開發人員知道系統為什么會進入這種故障狀態，是怎樣進入的。ARM系統跟蹤模塊(STM)支持跟蹤基于CPU的軟件事件。當系統執行時，應用軟件可以發出硬件和軟件事件“探測”信號，以監視系統行為，深入探查其工作。在“FPGA自適應”調試環境中，STM支持CPU和FPGA域的事件監視，不要求系統停止工作。 未來的SoC FPGA路線圖 當選擇SoC FPGA時，必須確定供應商的產品路線圖.如圖4所示，從長期看，這將保持您的系統競爭力，支持軟件前向移植。開始時，所有硅片發展路線圖的基礎都是硅片工藝技術。目前Altera提供的Cyclone V和Arria V SoC采用了28 nm低功耗工藝制造，幫助工業、汽車、醫療和通信等對功耗要求較高的應用降低了功耗。 Altera的下一代Arria 10 SoC優化了中端應用的性能，提高了功效，減小了外形封裝，降低了成本，適合多種中端無線基礎設施、廣播、軍事，以及計算機和存儲應用。Arria 10 SoC基于TSMC的20 nm工藝技術，結合了雙核Cortex-A9處理器系統和業界領先的可編程邏輯技術。實現雙核Cortex-A9處理器系統簡化了第一代SoC FPGA的軟件移植，尺寸更小的工藝技術將性能提升至1.5 GHz。 在先進通信、軍事和數據中心應用中，第三代Stratix 10 SoC將進一步突破性能和帶寬。Stratix 10 SoC基于Intel 14nm三柵極工藝技術，具有64位四核ARM Cortex-A53處理器。Cortex-A53支持32位兼容模式，如果需要，很容易實現現有軟件的移植。
圖4.Stratix 10 SoC是Altera的第三代SoC，采用Intel的14 nm三柵極工藝技術，集成了四核Cortex-A53處理器。 SoC FPGA是功能強大的新一類可編程器件，適用于多種電子設計。最流行的商用器件集成了標準ARM雙核Cortex-A9——具有豐富的外設、片內存儲器、高速內部互聯體系結構、分層片內存儲器，還有前沿的FPGA架構。創新軟件設計和調試工具支持開發人員同時查看并交叉觸發芯片的兩部分(處理器和FPGA)組成。市場上的這些器件表面上看起來非常相似，但實際上底層體系結構卻不盡相同。 |
