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(chǎn)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)，FPGA技術、知識產(chǎn)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(jīng)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(nèi)推出特性豐富的產(chǎn)品。
然而，對嵌入式產(chǎn)品的要求如此之高，設計團隊卻在不斷減少。經(jīng)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(jié)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(nèi)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(chǎn)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(nèi)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?；贏RM的SOC FPGA 在一個SoC 中結(jié)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(chǎn)品優(yōu)勢，價格和性能達到最優(yōu)，產(chǎn)品能夠及時面市，延長了產(chǎn)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(jié)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。用戶可以定制片內(nèi)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(wǎng)絡協(xié)議，進一步調(diào)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(nèi)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。
產(chǎn)品更迅速面市
通過現(xiàn)場可編程平臺，使用現(xiàn)成的器件開發(fā)定制基于ARM的SoC FPGA，其開發(fā)時間和成本只是其他定制器件的一小部分?？煽康腇PGA 設計工具、直觀的系統(tǒng)集成工具以及成熟的ARM輔助系統(tǒng)相結(jié)合，加速了開發(fā)過程，降低了風險。即使是第一次實現(xiàn)FPGA的設計人員，目前常用的工具支持接口格式和標準，因此，他們可以比較輕松的重新使用已有軟件、IP和其他設計內(nèi)容。使用SoC FPGA 平臺，利用開發(fā)基礎支撐條件，開發(fā)人員能夠很快抓住嵌入式系統(tǒng)市場的機遇。
靈活性
在嵌入式系統(tǒng)市場上應對競爭需要很高的靈活性。網(wǎng)絡和通信應用必須適應新的或者變化的標準。工業(yè)和醫(yī)療供應商不一定需要大批量產(chǎn)品，但是對專業(yè)化產(chǎn)品有很大的需求。不考慮特殊應用領域，嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員必須能夠靈活的應對激烈的競爭，利用最新的技術，很快抓住新的市場機遇。
SoC FPGA 非常適合滿足嵌入式市場需求?；贏RM的SoC FPGA 中的邏輯部分很容易應對各種變動，適用性較強。在SoC FPGA 中，邏輯是現(xiàn)場可編程的，意味著很容易迅速修改，以突出產(chǎn)品優(yōu)勢，進行更新或者重制某一產(chǎn)品型號。在有保證的情況下，即使設備在現(xiàn)場部署后，也可以進行重新配置。
可更新和設計重用
設計重用是管理成本、縮短市場窗口、提高設計資源利用率的關鍵手段。能夠在多個器件和系列中調(diào)整并重新使用設計內(nèi)容，這種能力是無價的。當把現(xiàn)有設計或者IP模塊應用到體積、功耗和性能需求都不同的器件上時，借助這種方法，設計人員不需要從頭開始重新進行設計。由于越來越多的設計團隊分散在世界各地，重新使用功能不但提升了效能，而且提供了共享和利用已有內(nèi)容的好方法。
SoC FPGA 體系結(jié)構支持多個IP內(nèi)核，靈活的適應不同的器件系列。很多應用都有不同的價格、性能、功耗和其他限制，采用可重用和可更新內(nèi)容很容易滿足這些需求。隨著工藝技術的進步，采用這類FPGA 系列，通過在下一代產(chǎn)品中導入IP，能夠方便的移植到下一工藝節(jié)點。
長壽命產(chǎn)品
對于很多應用而言，長壽命產(chǎn)品是要考慮的重要因素。產(chǎn)品生命周期，特別是醫(yī)療、工業(yè)和軍用器件，長達10 到15 年，甚至更長。但是，IC 供應商的產(chǎn)品一般只供應較短的時間。當這類產(chǎn)品的產(chǎn)品生命周期超過其IC 組件時，設計人員會有很大的成本代價，花費寶貴的設計資源進行設計移植，或者重制。
為避免產(chǎn)品過時或者失效問題的不利影響，建議需要較長產(chǎn)品生命周期的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員選擇經(jīng)過嚴格可靠性測試的實施方案，供應商在預期的產(chǎn)品生命周期內(nèi)都能夠提供支持。由于其長壽命并且容易移植，工業(yè)、軍事、航空航天、汽車以及醫(yī)療應用一直在采用FPGA.長壽命器件意味著很少在現(xiàn)場進行產(chǎn)品維護，從而降低了維護成本，支持將設計資源應用到新產(chǎn)品上。
Altera SoC FPGA
作為2011 年啟動的“嵌入式計劃”的一部分，ALTEra 為嵌入式系統(tǒng)市場提供28-nm基于ARM的SoC FPGA.這些Altera 產(chǎn)品具有：
■先進的硬核ARM處理器、外設和高速互聯(lián)。
■片內(nèi)Altera FPGA 架構、第二個存儲器控制器以及PCI Express（PCIe）接口。
■支持已有內(nèi)容和IP集成的設計工具。
■采用或者不采用硅片，加速軟件開發(fā)的仿真環(huán)境。
硅片
在28-nm 工藝節(jié)點，Altera 使用了定制方法，在Arria V 和Cyclone V FPGA 系列中提供ARM處理器，以滿足多種嵌入式應用需求。在相同的TSMC 28-nm 低功耗（28LP）工藝上生產(chǎn)的兩種系列產(chǎn)品都能夠滿足嵌入式系統(tǒng)的系統(tǒng)低功耗和低成本需求。
Altera 的Cyclone V FPGA 系列非常適合對功耗和體積要求較高的應用，而Arria VFPGA 系列在體系結(jié)構上為滿足高性能嵌入式應用而量身定制。
Altera ARMHPS（圖4）在全功能HPS中結(jié)合了雙核ARMCortex-A9 MPCore處理器、存儲器控制器以及外設IP.28-nm 工藝節(jié)點的高性能雙核ARMCortex-A9 MPCore 處理器工作速率高達800 MHz.雙核配置實現(xiàn)了靈活的SoC FPGA 產(chǎn)品，其性能能夠進一步滿足未來的需求。內(nèi)置NEON媒體處理引擎和雙精度浮點單元為多媒體和信號處理應用提供了標準化加速功能。每個內(nèi)核32 個32-KB Level-1 高速緩存，在512-KB 共享Level-2 高速緩存的支持下，通過減小延時和存儲器訪問時間，有助于提升性能。
圖4. 基于ARM的硬核處理器系統(tǒng)簡介
除了ARM內(nèi)核本身，HPS還包括SDRAM控制器子系統(tǒng)、通用外設陣列，以及高速片內(nèi)互聯(lián)。外設組包括增強閃存控制器、MMC、DMA、USB 2.0、以太網(wǎng)、UART、SPI 和GPIO 接口。最后，Altera 獨特的片內(nèi)總線體系結(jié)構通過高速互聯(lián)連接了HPS和FPGA，總帶寬大于125-Gbps.
在片內(nèi)Altera FPGA 中實現(xiàn)了專用邏輯。由于能夠長期穩(wěn)定的為Cyclone V 和Arria VFPGA 系列提供支持，Altera 產(chǎn)品在正常工作條件下，使用壽命一般能夠達到20 年以上。
快速系統(tǒng)設計工具
Altera 的Quartus II 開發(fā)軟件提供了高效的設計環(huán)境，幫助開發(fā)人員迅速實現(xiàn)基于ARM的SoC.所包含的Qsys系統(tǒng)集成工具在IP功能和子系統(tǒng)之間自動生成互聯(lián)邏輯，從而顯著縮短了設計時間，減輕了設計工作量。對于使用AMBA等通用接口標準和協(xié)議編寫的IP，Qsys自動識別IP，將其與SoC 連接。利用這一工具，很容易實現(xiàn)重用功能，在一片SoC FPGA 中同時使用已有或者第三方IP單元以及不同的標準接口。此外，開發(fā)人員很容易利用現(xiàn)有的內(nèi)容，迅速實現(xiàn)FPGA 開發(fā)。
軟件開發(fā)
軟件開發(fā)是開發(fā)嵌入式系統(tǒng)時非常重要的工作。出于這一原因，嵌入式軟件開發(fā)人員一般使用名為“虛擬目標”的仿真環(huán)境，在能夠使用硅片之前，編寫、仿真并調(diào)試軟件。利用Altera SoC FPGA 虛擬目標仿真環(huán)境，開發(fā)人員即使在拿到第一個硅片之前，也能夠開始寄存器和二進制兼容軟件開發(fā)。設計人員通過使用虛擬目標，提前完成大部分軟件開發(fā)工作，降低了設計風險，更迅速的將產(chǎn)品推向市場。
結(jié)論
與以往相比，目前的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員必須面對激烈的競爭，迅速應對多變的標準、協(xié)議和需求，以更少的資源滿足越來越高的各種市場需求。含有硬核處理器內(nèi)核的SoC FPGA 不但支持設計人員解決這些設計難題，而且還幫助他們獲得了明顯的產(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。與傳統(tǒng)方案相比，現(xiàn)在已經(jīng)到達了一個關鍵點，基于FPGA 的SoC 成為可行而且是首選的方法，必將在市場上獲得廣泛應用。