FPGA與ARM核結(jié)合實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)

隨著FPGA技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新，使RISC處理器與FPGA集成、兩種系統(tǒng)的融合與優(yōu)化成為新一代FPGA的發(fā)展趨勢。

如今，F(xiàn)PGA技術(shù)正處在高速發(fā)展時(shí)期，芯片規(guī)模越來越大，集成度越來越高，速度不斷提高，性能不斷提升，功耗也越來越低。FPGA憑借其強(qiáng)大的并行信號處理能力，在應(yīng)對控制復(fù)雜度低、數(shù)據(jù)量大的運(yùn)算時(shí)具有較強(qiáng)的優(yōu)勢。但是在復(fù)雜算法的實(shí)現(xiàn)上，F(xiàn)PGA卻遠(yuǎn)沒有32位精簡指令集計(jì)算機(jī)(RISC)處理器靈活方便，所以在設(shè)計(jì)具有復(fù)雜算法和控制邏輯的系統(tǒng)時(shí)，往往需要RISC和FPGA結(jié)合使用。這樣，電路設(shè)計(jì)的難度也就相應(yīng)地增加。

RISC和FPGA結(jié)合成發(fā)展趨勢

RISC處理器與FPGA集成，減小了硬件電路的復(fù)雜性和體積，降低了功耗，提高了可靠性。

FPGA技術(shù)的不斷發(fā)展和創(chuàng)新使RISC處理器與FPGA集成，從而大大減小了硬件電路復(fù)雜性和體積，同時(shí)也降低了功耗，提高了系統(tǒng)可靠性，兩種系統(tǒng)的融合與優(yōu)化成為新一代FPGA的發(fā)展趨勢。

2010年，F(xiàn)PGA廠商Xilinx和Altera先后聯(lián)手英國ARM公司瞄準(zhǔn)下一代消費(fèi)電子、汽車及工業(yè)電子應(yīng)用領(lǐng)域，推出了各自的FPGA內(nèi)嵌ARM硬核嵌入式處理器架構(gòu)。與傳統(tǒng)嵌入式微處理器概念不同，基于ARM的FPGA單片系統(tǒng)通過內(nèi)部高速總線有效的提升系統(tǒng)間信號傳遞的速度與穩(wěn)定性，擺脫了PCB布線線寬對信號帶寬的限制。在降低PCB布局布線復(fù)雜程度的同時(shí)，極大程度地縮小了芯片尺寸。作為高性能、低成本協(xié)處理器的最佳選擇，F(xiàn)PGA為處理器提供了硬件加速的空間。同時(shí)，F(xiàn)PGA龐大的可編程邏輯資源與靈活的可重配置能力使系統(tǒng)級芯片可以在內(nèi)部進(jìn)行軟、硬件升級，解決了由升級系統(tǒng)功能帶來的更換外部設(shè)備帶來的成本問題。

作為邁入嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的第一步，Altera和Xilinx(賽靈思)都成功地將片上系統(tǒng)硬核融入可編程邏輯。其中Xilinx僅與ARM合作，而Altera則提供更多嵌入式硬核的種類。然而兩種系統(tǒng)的組合均可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用需求進(jìn)行優(yōu)化與裁剪。Altera和Xilinx在2011年提出了以ARM為核心的可擴(kuò)展式處理器平臺。其中可編程邏輯僅作為可訪問硬件資源被集成在ARM系統(tǒng)中。較以往的ARM處理器，這種可拓展式的嵌入式平臺具有動(dòng)態(tài)配置可編程邏輯的功能，可在需要時(shí)提升處理器速度，擴(kuò)展處理器緩存容量。在FPGA與ARM系統(tǒng)接口方面，賽靈思提出的帶有可編程邏輯的ARM系統(tǒng)解決了將FPGA嵌入ARM核方案中遇到的帶寬問題。

FPGA與ARM核結(jié)合實(shí)現(xiàn)功能互補(bǔ)

兩種高集成度芯片的融合將對已有的基于ARM和FPGA嵌入式系統(tǒng)重新定義。

FPGA與ARM融合的價(jià)值不僅僅體現(xiàn)在處理器性能的提升上。

用于視頻監(jiān)控領(lǐng)域的基于ARM的FPGA能夠進(jìn)行高級決策與控制處理，并管理復(fù)雜的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和多個(gè)并行數(shù)據(jù)接入，同時(shí)進(jìn)行高性能低延遲的信號處理，以通過分布式/遠(yuǎn)程智能視頻系統(tǒng)對各種行為進(jìn)行監(jiān)控、分析和比較，并做出正確的行為決策。用于汽車電子領(lǐng)域的ARM嵌入式系統(tǒng)能夠方便的連接到最新傳感器技術(shù)，通過可編程邏輯的高性能并行處理能力處理多個(gè)數(shù)字信號輸入(視頻、雷達(dá)、紅外等)，并能快速將數(shù)據(jù)傳輸給ARM處理系統(tǒng)進(jìn)行分析、比較，然后做出反應(yīng)，并在汽車電子系統(tǒng)框架中進(jìn)行通信。另外，用于通信領(lǐng)域的FPGA芯片內(nèi)部集成了高頻無線收發(fā)模塊。該類型FPGA與ARM的結(jié)合將給軟件無線電提供片上系統(tǒng)的可能，使得無線電基站設(shè)計(jì)建設(shè)向低成本、低功耗和小型化發(fā)展。用于信號處理和工業(yè)控制領(lǐng)域的FPGA芯片通常不集成模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換功能。

然而在系統(tǒng)原型驗(yàn)證過程中，高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的電路板設(shè)計(jì)一直是影響信號處理算法效率的首要因素。利用ARM系統(tǒng)內(nèi)部硬件資源實(shí)現(xiàn)具有高可靠性的片內(nèi)信號離散化過程是縮短驗(yàn)證周期的有力保障。用于智能移動(dòng)終端領(lǐng)域的FPGA由于其強(qiáng)大的并行處理能力常用作協(xié)處理器，而ARM出色的圖像處理性能已經(jīng)顛覆了智能手機(jī)、平板電腦等領(lǐng)域。將這兩種高集成度的芯片融合成為單芯片片上系統(tǒng)，將對已有的基于ARM和FPGA嵌入式系統(tǒng)重新定義。由此可見，F(xiàn)PGA與ARM的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了各自應(yīng)用領(lǐng)域中所需功能的互補(bǔ)。

ARM處理器與FPGA可編程邏輯相結(jié)合，提供了巨大的串行和并行處理能力，發(fā)揮了FPGA邏輯控制對大量數(shù)據(jù)進(jìn)行高速處理的優(yōu)勢以及ARM軟件編程靈活的特點(diǎn)。這不僅簡化了ARM與FPGA之間的通訊，也使片外擴(kuò)展存儲器以及與外設(shè)通訊變得相對簡單;同時(shí)通過在FPGA中嵌入各種IP軟核和用戶控制邏輯/復(fù)雜算法控制邏輯以實(shí)現(xiàn)各種接口和控制任務(wù)?；贏RM的FPGA能夠?qū)壿嬞Y源進(jìn)行動(dòng)態(tài)配置，實(shí)現(xiàn)時(shí)間的時(shí)分復(fù)用，靈活快速地改變系統(tǒng)功能，節(jié)省邏輯資源，能夠滿足大規(guī)模應(yīng)用的需求，是未來FPGA重點(diǎn)發(fā)展的領(lǐng)域之一。