實現(xiàn)基于ARM的嵌入式系統(tǒng)的可編程芯片系統(tǒng)方法

引言

當今的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員面臨前所未有的挑戰(zhàn)，努力向市場推出最具競爭力的產品。

直到最近，實現(xiàn)的大部分系統(tǒng)還局限于需要大量軟件而且功耗非常高的多芯片系統(tǒng)或者昂貴的SoCASIC.但是，越來越多的設計團隊感到受市場壓力以及資源限制的影響，這些方法的吸引力越來越低。而對于基于ARM的嵌入式系統(tǒng)，F(xiàn)PGA技術、知識產權（IP）以及設計工具的發(fā)展促進了用戶可定制SoC FPGA 的誕生。這些器件不但克服了傳統(tǒng)方法的缺點，而且在嵌入式系統(tǒng)實現(xiàn)上非常獨特，具有明顯的優(yōu)勢。

應用廣泛的ARM處理器

僅僅幾年前，處理器市場還是四分五裂。PowerPC、RISC、MIPS、SPARC 以及很多其他平臺都在競爭市場主導地位。但是，隨著市場的成熟，而且越來越專業(yè)化，某些平臺在一些應用領域中脫穎而出。特別是嵌入式系統(tǒng)應用領域的ARM處理器（圖1）尤其如此。

圖1. 嵌入式系統(tǒng)應用中流行的平臺

在發(fā)展迅速的嵌入式系統(tǒng)市場上應用非常廣泛的ARM處理器非常適合設計人員使用。

首先，發(fā)展非常成熟的軟件、開發(fā)工具和ARM兼容器件輔助系統(tǒng)實現(xiàn)了能夠協(xié)同工作的解決方案工具箱。其次，受迅速發(fā)展的ARM市場規(guī)模經濟因素的影響，出現(xiàn)了更好、更先進的系統(tǒng)實現(xiàn)選擇。

嵌入式系統(tǒng)設計挑戰(zhàn)

與以往相比，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員必須建立高性價比系統(tǒng)。迅速擴張的全球市場對設計人員的要求越來越高。但中國、印度和拉丁美洲等新興市場領域的機遇也越來越多，這些市場越來越重要，不容忽視。為滿足越來越高的用戶基本需求，需要支持各種標準和價格、性能以及特性的平臺。而且，競爭在全球展開，這對設計團隊的壓力更大，要求在越來越小的市場窗口內推出特性豐富的產品。

然而，對嵌入式產品的要求如此之高，設計團隊卻在不斷減少。經濟壓力迫使很多公司縮減規(guī)模，設計資源也由此受到影響。結果，開發(fā)團隊的規(guī)模在縮減，而工作強度卻在增大。

對成本非常關注的基于ARM的嵌入式系統(tǒng)設計人員越來越明顯的感受到這一壓力，清楚的認識到傳統(tǒng)實現(xiàn)方法的缺點。多芯片解決方案實現(xiàn)起來相對容易一些，但是成本高，缺乏靈活性，性能/ 功耗指標達不到目前應用的需求。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，但是難以達到功耗和性能目標。ASIC SoC 具有板上硬核ARM內核，功耗和性能表現(xiàn)非常出色，但是面市時間長，不靈活，對于大部分應用而言成本過高。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)勢產品的解決方案，非常靈活，效率也非常高。

新一類SoC

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）。由于Altera 在FPGA 技術上的進步，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。基于ARM的SOC FPGA 在一個SoC 中結合了硬核ARM處理器、存儲器控制器以及外設和可定制FPGA 架構。這些SoC FPGA 解決了設計人員面臨的很多難題，突出了產品優(yōu)勢，價格和性能達到最優(yōu)，產品能夠及時面市，延長了產品使用壽命。

圖2.FPGA 中處理器的發(fā)展

SoC FPGA

基于ARM的SoC FPGA（圖3 所示）在單片F(xiàn)PGA 中緊密結合了經過優(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，突出了產品優(yōu)勢。用戶可以定制片內FPGA 架構，開發(fā)專用邏輯?？删幊坦δ苤С植捎眯碌幕蛘咝薷暮蟮耐ㄐ艠藴屎途W絡協(xié)議，進一步調整性能。

圖3. 處理器與FPGA 架構緊密集成

與傳統(tǒng)的解決方案相比，SoC FPGA 在性能上有明顯的優(yōu)勢。硬核單元相對于軟核IP進行了很大的優(yōu)化，在所采用的工藝節(jié)點上，實現(xiàn)了最好的性能、最低的功耗以及最高的密度。FPGA 通常是新工藝節(jié)點最先推出的器件，因此，設計人員利用SoC FPGA 能夠使用最新最好的半導體技術。而且，與基于電路板的解決方案相比，片內總線緊密連接各個單元，進一步提高了性能和功效。從系統(tǒng)整體角度看，SoC FPGA 明顯減小了系統(tǒng)體積，降低了功耗和成本。