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實(shí)現(xiàn)基于ARM的嵌入式系統(tǒng)的SoC方法

2012-02-29
關(guān)鍵詞: SoPC ARM SOC FPGA

  引言

  當(dāng)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(chǎng)推出最具競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。

  直到最近,實(shí)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SoC ASIC.但是,越來越多的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)感到受市場(chǎng)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(duì)于基于ARM 的嵌入式系統(tǒng),FPGA 技術(shù)、知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP) 以及設(shè)計(jì)工具的發(fā)展促進(jìn)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(diǎn),而且在嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上非常獨(dú)特,具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

  應(yīng)用廣泛的ARM 處理器

  僅僅幾年前,處理器市場(chǎng)還是四分五裂。PowerPC、RISC、MIPS、SPARC 以及很多其他平臺(tái)都在競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。但是,隨著市場(chǎng)的成熟,而且越來越專業(yè)化,某些平臺(tái)在一些應(yīng)用領(lǐng)域中脫穎而出。特別是嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域的ARM 處理器( 圖1) 尤其如此。

 

圖1. 嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用中流行的平臺(tái)

  在發(fā)展迅速的嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)上應(yīng)用非常廣泛的ARM 處理器非常適合設(shè)計(jì)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(shí)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(chǎng)規(guī)模經(jīng)濟(jì)因素的影響,出現(xiàn)了更好、更先進(jìn)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)選擇。

  嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jià)比系統(tǒng)。迅速擴(kuò)張的全球市場(chǎng)對(duì)設(shè)計(jì)人員的要求越來越高。但中國(guó)、印度和拉丁美洲等新興市場(chǎng)領(lǐng)域的機(jī)遇也越來越多,這些市場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)和價(jià)格、性能以及特性的平臺(tái)。而且,競(jìng)爭(zhēng)在全球展開,這對(duì)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的壓力更大,要求在越來越小的市場(chǎng)窗口內(nèi)推出特性豐富的產(chǎn)品。

  然而,對(duì)嵌入式產(chǎn)品的要求如此之高,設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)卻在不斷減少。經(jīng)濟(jì)壓力迫使很多公司縮減規(guī)模,設(shè)計(jì)資源也由此受到影響。結(jié)果,開發(fā)團(tuán)隊(duì)的規(guī)模在縮減,而工作強(qiáng)度卻在增大。

  對(duì)成本非常關(guān)注的基于ARM 的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員越來越明顯的感受到這一壓力,清楚的認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法的缺點(diǎn)。多芯片解決方案實(shí)現(xiàn)起來相對(duì)容易一些,但是成本高,缺乏靈活性,性能/ 功耗指標(biāo)達(dá)不到目前應(yīng)用的需求。采用了軟核處理器的單芯片解決方案實(shí)現(xiàn)起來也相對(duì)容易一些,但是難以達(dá)到功耗和性能目標(biāo)。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(shí)間長(zhǎng),不靈活,對(duì)于大部分應(yīng)用而言成本過高。為提高競(jìng)爭(zhēng)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(dú)具優(yōu)勢(shì)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(yīng)用在穩(wěn)步增長(zhǎng)( 圖2)。由于Altera 在FPGA 技術(shù)上的進(jìn)步,出現(xiàn)了新一類SoC 器件,滿足了目前嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的多種功能需求?;贏RM 的SOC FPGA 在一個(gè)SoC 中結(jié)合了硬核ARM 處理器、存儲(chǔ)器控制器以及外設(shè)和可定制FPGA 架構(gòu)。這些SoC FPGA 解決了設(shè)計(jì)人員面臨的很多難題,突出了產(chǎn)品優(yōu)勢(shì),價(jià)格和性能達(dá)到最優(yōu),產(chǎn)品能夠及時(shí)面市,延長(zhǎng)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(chǔ)器控制器以及多個(gè)外設(shè)單元,處理器性能達(dá)到4,000 DMIPS (DhrySTONes 2.1 基準(zhǔn)測(cè)試),功耗不到1.8 W.這些硬核IP 模塊提高了性能同時(shí)降低了功耗和成本,減少了對(duì)邏輯資源的占用,突出了產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。用戶可以定制片內(nèi)FPGA 架構(gòu),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?biāo)準(zhǔn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,進(jìn)一步調(diào)整性能。

 

圖3. 處理器與FPGA 架構(gòu)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(shì)。硬核單元相對(duì)于軟核IP 進(jìn)行了很大的優(yōu)化,在所采用的工藝節(jié)點(diǎn)上,實(shí)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(diǎn)最先推出的器件,因此,設(shè)計(jì)人員利用SoC FPGA 能夠使用最新最好的半導(dǎo)體技術(shù)。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(gè)單元,進(jìn)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(chǎng)可編程平臺(tái),使用現(xiàn)成的器件開發(fā)定制基于ARM 的SoC FPGA,其開發(fā)時(shí)間和成本只是其他定制器件的一小部分??煽康腇PGA 設(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)。即使是第一次實(shí)現(xiàn)FPGA的設(shè)計(jì)人員,目前常用的工具支持接口格式和標(biāo)準(zhǔn),因此,他們可以比較輕松的重新使用已有軟件、IP 和其他設(shè)計(jì)內(nèi)容。使用SoC FPGA 平臺(tái),利用開發(fā)基礎(chǔ)支撐條件,開發(fā)人員能夠很快抓住嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)的機(jī)遇。

  靈活性

  在嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)上應(yīng)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)需要很高的靈活性。網(wǎng)絡(luò)和通信應(yīng)用必須適應(yīng)新的或者變化的標(biāo)準(zhǔn)。工業(yè)和醫(yī)療供應(yīng)商不一定需要大批量產(chǎn)品,但是對(duì)專業(yè)化產(chǎn)品有很大的需求。不考慮特殊應(yīng)用領(lǐng)域,嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員必須能夠靈活的應(yīng)對(duì)激烈的競(jìng)爭(zhēng),利用最新的技術(shù),很快抓住新的市場(chǎng)機(jī)遇。

  SoC FPGA 非常適合滿足嵌入式市場(chǎng)需求?;贏RM 的SoC FPGA 中的邏輯部分很容易應(yīng)對(duì)各種變動(dòng),適用性較強(qiáng)。在SoC FPGA 中,邏輯是現(xiàn)場(chǎng)可編程的,意味著很容易迅速修改,以突出產(chǎn)品優(yōu)勢(shì),進(jìn)行更新或者重制某一產(chǎn)品型號(hào)。在有保證的情況下,即使設(shè)備在現(xiàn)場(chǎng)部署后,也可以進(jìn)行重新配置。

  可更新和設(shè)計(jì)重用

  設(shè)計(jì)重用是管理成本、縮短市場(chǎng)窗口、提高設(shè)計(jì)資源利用率的關(guān)鍵手段。能夠在多個(gè)器件和系列中調(diào)整并重新使用設(shè)計(jì)內(nèi)容,這種能力是無價(jià)的。當(dāng)把現(xiàn)有設(shè)計(jì)或者IP 模塊應(yīng)用到體積、功耗和性能需求都不同的器件上時(shí),借助這種方法,設(shè)計(jì)人員不需要從頭開始重新進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于越來越多的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)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(gòu)支持多個(gè)IP 內(nèi)核,靈活的適應(yīng)不同的器件系列。很多應(yīng)用都有不同的價(jià)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(shù)的進(jìn)步,采用這類FPGA 系列,通過在下一代產(chǎn)品中導(dǎo)入IP,能夠方便的移植到下一工藝節(jié)點(diǎn)。

  長(zhǎng)壽命產(chǎn)品

  對(duì)于很多應(yīng)用而言,長(zhǎng)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(zhǎng)達(dá)10 到15 年,甚至更長(zhǎng)。但是,IC 供應(yīng)商的產(chǎn)品一般只供應(yīng)較短的時(shí)間。當(dāng)這類產(chǎn)品的產(chǎn)品生命周期超過其IC 組件時(shí),設(shè)計(jì)人員會(huì)有很大的成本代價(jià),花費(fèi)寶貴的設(shè)計(jì)資源進(jìn)行設(shè)計(jì)移植,或者重制。

  為避免產(chǎn)品過時(shí)或者失效問題的不利影響,建議需要較長(zhǎng)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(yán)格可靠性測(cè)試的實(shí)施方案,供應(yīng)商在預(yù)期的產(chǎn)品生命周期內(nèi)都能夠提供支持。由于其長(zhǎng)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(yīng)用一直在采用FPGA.長(zhǎng)壽命器件意味著很少在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行產(chǎn)品維護(hù),從而降低了維護(hù)成本,支持將設(shè)計(jì)資源應(yīng)用到新產(chǎn)品上。

  Altera SoC FPGA

  作為2011 年啟動(dòng)的“嵌入式計(jì)劃”的一部分,ALTEra 為嵌入式系統(tǒng)市場(chǎng)提供28-nm基于ARM 的SoC FPGA.這些Altera 產(chǎn)品具有:

  ■ 先進(jìn)的硬核ARM 處理器、外設(shè)和高速互聯(lián)。

  ■ 片內(nèi)Altera FPGA 架構(gòu)、第二個(gè)存儲(chǔ)器控制器以及PCI Express  (PCIe  ) 接口。

  ■ 支持已有內(nèi)容和IP 集成的設(shè)計(jì)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(diǎn),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(yīng)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(duì)功耗和體積要求較高的應(yīng)用,而Arria VFPGA 系列在體系結(jié)構(gòu)上為滿足高性能嵌入式應(yīng)用而量身定制。

  Altera ARM HPS ( 圖4) 在全功能HPS 中結(jié)合了雙核ARM Cortex ? -A9 MPCore ?處理器、存儲(chǔ)器控制器以及外設(shè)IP.28-nm 工藝節(jié)點(diǎn)的高性能雙核ARM Cortex-A9 MPCore 處理器工作速率高達(dá)800 MHz.雙核配置實(shí)現(xiàn)了靈活的SoC FPGA 產(chǎn)品,其性能能夠進(jìn)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(diǎn)單元為多媒體和信號(hào)處理應(yīng)用提供了標(biāo)準(zhǔn)化加速功能。每個(gè)內(nèi)核32 個(gè)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(shí)和存儲(chǔ)器訪問時(shí)間,有助于提升性能。

 

圖4. 基于ARM 的硬核處理器系統(tǒng)簡(jiǎn)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(shè)陣列,以及高速片內(nèi)互聯(lián)。外設(shè)組包括增強(qiáng)閃存控制器、MMC、DMA、USB 2.0、以太網(wǎng)、UART、SPI 和GPIO 接口。最后,Altera 獨(dú)特的片內(nèi)總線體系結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)了專用邏輯。由于能夠長(zhǎng)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(dá)到20 年以上。

  快速系統(tǒng)設(shè)計(jì)工具

  Altera 的Quartus ? II 開發(fā)軟件提供了高效的設(shè)計(jì)環(huán)境,幫助開發(fā)人員迅速實(shí)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(dòng)生成互聯(lián)邏輯,從而顯著縮短了設(shè)計(jì)時(shí)間,減輕了設(shè)計(jì)工作量。對(duì)于使用AMBA ?等通用接口標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議編寫的IP,Qsys 自動(dòng)識(shí)別IP,將其與SoC 連接。利用這一工具,很容易實(shí)現(xiàn)重用功能,在一片SoC FPGA 中同時(shí)使用已有或者第三方IP 單元以及不同的標(biāo)準(zhǔn)接口。此外,開發(fā)人員很容易利用現(xiàn)有的內(nèi)容,迅速實(shí)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(shí)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(biāo)”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(biāo)仿真環(huán)境,開發(fā)人員即使在拿到第一個(gè)硅片之前,也能夠開始寄存器和二進(jìn)制兼容軟件開發(fā)。設(shè)計(jì)人員通過使用虛擬目標(biāo),提前完成大部分軟件開發(fā)工作,降低了設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn),更迅速的將產(chǎn)品推向市場(chǎng)。

  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(duì)激烈的競(jìng)爭(zhēng),迅速應(yīng)對(duì)多變的標(biāo)準(zhǔn)、協(xié)議和需求,以更少的資源滿足越來越高的各種市場(chǎng)需求。含有硬核處理器內(nèi)核的SoCFPGA 不但支持設(shè)計(jì)人員解決這些設(shè)計(jì)難題,而且還幫助他們獲得了明顯的產(chǎn)品及時(shí)面市、價(jià)格/ 性能、突出產(chǎn)品特點(diǎn)以及長(zhǎng)壽命產(chǎn)品等優(yōu)勢(shì)。與傳統(tǒng)方案相比,現(xiàn)在已經(jīng)到達(dá)了一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),基于FPGA 的SoC 成為可行而且是首選的方法,必將在市場(chǎng)上獲得廣泛應(yīng)用。

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