基于FPGA的32位嵌入式處理器的解決方案

嵌入式系統(tǒng)與桌面PC結(jié)構(gòu)非常不同，但其底層技術(shù)發(fā)展卻是一樣的，而且遵循著類(lèi)似發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)桌面PC轉(zhuǎn)向64位架構(gòu)來(lái)滿(mǎn)足不斷增長(zhǎng)的存儲(chǔ)器要求時(shí)，嵌入式系統(tǒng)也由于同樣的原因快速轉(zhuǎn)向32位處理器。桌面/服務(wù)器計(jì)算市場(chǎng)主要是圍繞x86架構(gòu)，大多數(shù)創(chuàng)新和差異都在系統(tǒng)級(jí)，如雙核、四核或多核中央處理架構(gòu)、集成圖像處理器單元和存儲(chǔ)器控制器等等。同樣，嵌入式系統(tǒng)則主要圍繞簡(jiǎn)單的32位RISC處理器，多核架構(gòu)、集成外設(shè)以及可配置處理等系統(tǒng)級(jí)發(fā)展，使得設(shè)計(jì)人員能夠快速適應(yīng)不斷變化的應(yīng)用要求。根據(jù)iSuppli的研究報(bào)告，2007年32位微控制器(MCU)市場(chǎng)將超過(guò)8位MCU市場(chǎng)。如圖1所示，32位MCU市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度超過(guò)了半導(dǎo)體市場(chǎng)其它部分的增長(zhǎng)速度，而8位MCU市場(chǎng)的份額過(guò)去幾年時(shí)間里則有所下降。 

這一趨勢(shì)的主要推動(dòng)力是嵌入式系統(tǒng)中軟件內(nèi)容和復(fù)雜性的不斷增加，因此直接產(chǎn)生的后果是需要更寬的存儲(chǔ)器總線(xiàn)　(32位)來(lái)滿(mǎn)足軟件程序所使用的代碼和數(shù)據(jù)要求。與傳統(tǒng)微處理器不同，32位處理器不需要分段等存儲(chǔ)器管理技巧就可以處理更大的存儲(chǔ)器空間，因此使編程更容易。8位MCU必須采用難學(xué)難用的匯編語(yǔ)言來(lái)滿(mǎn)足小存儲(chǔ)器空間限制(少于32K字節(jié))，而許多32位嵌入式應(yīng)用則可以利用C/C++來(lái)編程，從而提高了嵌入式軟件開(kāi)發(fā)人員生產(chǎn)力。更為重要的是，越來(lái)越多的操作系統(tǒng)(實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí))都提供現(xiàn)成的驅(qū)動(dòng)程序和軟件庫(kù)，從而使軟件開(kāi)發(fā)人員能夠集中于應(yīng)用本身的開(kāi)發(fā)。

集成降低成本

在摩爾定律的指引下，越來(lái)越細(xì)的硅工藝線(xiàn)寬使得32位嵌入式解決方案的成本不斷降低，從而可以滿(mǎn)足更多的應(yīng)用對(duì)價(jià)格的要求。此外，集成外設(shè)和片上存儲(chǔ)器進(jìn)一步降低了元器件和總體材料清單成本。通過(guò)集成針對(duì)手機(jī)和游戲機(jī)等垂直應(yīng)用而優(yōu)化的外設(shè)，許多器件的價(jià)格大大降低，直接推動(dòng)了市場(chǎng)增長(zhǎng)。

價(jià)格壓力還導(dǎo)致只能在這些系統(tǒng)中集成一組固定的外設(shè)，因此通常的外設(shè)組合是面向大批量應(yīng)用的。然而，不可能有適用于所有應(yīng)用的萬(wàn)能器件，因此許多小批量、中等規(guī)模甚至大批量應(yīng)用都無(wú)法直接利用成品集成解決方案。其結(jié)果是設(shè)計(jì)人員必須采用額外的芯片來(lái)擴(kuò)展外設(shè)、分流處理器的負(fù)擔(dān)，或增加膠合邏輯。這也是可配置處理解決方案產(chǎn)生的原因。

可配置32位處理

根據(jù)Gartner Dataquest的報(bào)告，如圖2所示，基于FPGA嵌入式處理方案的應(yīng)用正在增長(zhǎng)，到2010年，約40%的FPGA設(shè)計(jì)將包括嵌入式處理器。因?yàn)槟軌蚨ㄖ茲M(mǎn)足特定應(yīng)用或產(chǎn)品的要求，嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員正在越來(lái)越多地采用基于FPGA的可配置處理解決方案。這一方法的主要優(yōu)點(diǎn)是可通過(guò)集成降低成本，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品在市場(chǎng)上的差異化。

通過(guò)選擇同一FPGA系列中的不同器件，或者將設(shè)計(jì)重新適配到新的FPGA器件中，能夠針對(duì)更高性能、更低成本、或者不同的I/O標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行個(gè)性設(shè)計(jì)。這樣可以降低設(shè)計(jì)過(guò)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)，從而保證設(shè)計(jì)是未來(lái)可用的。對(duì)于必須有長(zhǎng)使用壽命的產(chǎn)品(如汽車(chē)或工業(yè)應(yīng)用)，這是特別關(guān)鍵的一個(gè)因素。

圖1：32位MCU市場(chǎng)的增長(zhǎng)速度超過(guò)了其它類(lèi)型的MCU的增長(zhǎng)速度。

可配置處理系統(tǒng)的配置(或定制)的層面包括：

處理器配置

1. 乘法器、除法器、浮點(diǎn)單元以及其它。

2. 指令或數(shù)據(jù)緩沖配置。

3. 協(xié)處理器或硬件加速器。

系統(tǒng)配置

1. I/O外設(shè)選擇、定制、DMA選擇。

2. 存儲(chǔ)器外設(shè)選擇、定制。

應(yīng)用配置

1. RTOS選擇、定制。

2. 應(yīng)用庫(kù)/中間件定制。

許多產(chǎn)品都包括需要某種形式網(wǎng)絡(luò)或通信接口的嵌入式系統(tǒng)。由于以太網(wǎng)成本低、幾乎無(wú)處不在，并且可以利用TCP/IP等互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議連接互聯(lián)網(wǎng)，因此以太網(wǎng)是目前在嵌入式產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛的網(wǎng)絡(luò)接口之一。根據(jù)目標(biāo)應(yīng)用的不同，網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的要求變化也相當(dāng)大。簡(jiǎn)單的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)控應(yīng)用只需要每秒數(shù)千比特的傳輸能力，而高端存儲(chǔ)或視頻應(yīng)用則需要持續(xù)的千兆比特級(jí)的吞吐能力。

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，我們將使用TCP載荷吞吐能力做為性能比較的主要指標(biāo)。表1列出了一些典型應(yīng)用以及相應(yīng)的TCP/IP載荷吞吐能力要求。

表一：不同應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò)吞吐量要求

可配置的嵌入式網(wǎng)絡(luò)

基于FPGA的處理解決方案提供的強(qiáng)大靈活性允許您根據(jù)需要開(kāi)啟或禁止處理器、IP內(nèi)核以及軟件平臺(tái)的高級(jí)功能，并且可以對(duì)許多獨(dú)立參數(shù)進(jìn)行精細(xì)調(diào)整，直到在軟件一級(jí)滿(mǎn)足應(yīng)用的要求。此外，利用建模工具可以識(shí)別任何性能關(guān)鍵的軟件功能并將其分流至適當(dāng)?shù)挠布�加速器或協(xié)處理器來(lái)完成。容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持