基于FPGA的32位嵌入式處理器的解決方案

嵌入式系統與桌面PC結構非常不同，但其底層技術(shù)發(fā)展卻是一樣的，而且遵循著(zhù)類(lèi)似發(fā)展趨勢。當桌面PC轉向64位架構來(lái)滿(mǎn)足不斷增長(cháng)的存儲器要求時(shí)，嵌入式系統也由于同樣的原因快速轉向32位處理器。桌面/服務(wù)器計算市場(chǎng)主要是圍繞x86架構，大多數創(chuàng )新和差異都在系統級，如雙核、四核或多核中央處理架構、集成圖像處理器單元和存儲器控制器等等。同樣，嵌入式系統則主要圍繞簡(jiǎn)單的32位RISC處理器，多核架構、集成外設以及可配置處理等系統級發(fā)展，使得設計人員能夠快速適應不斷變化的應用要求。根據iSuppli的研究報告，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(cháng)速度超過(guò)了半導體市場(chǎng)其它部分的增長(cháng)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。 

這一趨勢的主要推動(dòng)力是嵌入式系統中軟件內容和復雜性的不斷增加，因此直接產(chǎn)生的后果是需要更寬的存儲器總線(xiàn)　(32位)來(lái)滿(mǎn)足軟件程序所使用的代碼和數據要求。與傳統微處理器不同，32位處理器不需要分段等存儲器管理技巧就可以處理更大的存儲器空間，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)足小存儲器空間限制(少于32K字節)，而許多32位嵌入式應用則可以利用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(實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí))都提供現成的驅動(dòng)程序和軟件庫，從而使軟件開(kāi)發(fā)人員能夠集中于應用本身的開(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)足更多的應用對價(jià)格的要求。此外，集成外設和片上存儲器進(jìn)一步降低了元器件和總體材料清單成本。通過(guò)集成針對手機和游戲機等垂直應用而優(yōu)化的外設，許多器件的價(jià)格大大降低，直接推動(dòng)了市場(chǎng)增長(cháng)。

價(jià)格壓力還導致只能在這些系統中集成一組固定的外設，因此通常的外設組合是面向大批量應用的。然而，不可能有適用于所有應用的萬(wàn)能器件，因此許多小批量、中等規模甚至大批量應用都無(wú)法直接利用成品集成解決方案。其結果是設計人員必須采用額外的芯片來(lái)擴展外設、分流處理器的負擔，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Gartner Dataquest的報告，如圖2所示，基于FPGA嵌入式處理方案的應用正在增長(cháng)，到2010年，約40%的FPGA設計將包括嵌入式處理器。因為能夠定制滿(mǎn)足特定應用或產(chǎn)品的要求，嵌入系統設計人員正在越來(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，或者將設計重新適配到新的FPGA器件中，能夠針對更高性能、更低成本、或者不同的I/O標準進(jìn)行個(gè)性設計。這樣可以降低設計過(guò)時(shí)的風(fēng)險，從而保證設計是未來(lái)可用的。對于必須有長(cháng)使用壽命的產(chǎn)品(如汽車(chē)或工業(yè)應用)，這是特別關(guān)鍵的一個(gè)因素。

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

可配置處理系統的配置(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. 指令或數據緩沖配置。

3. 協(xié)處理器或硬件加速器。

系統配置

1. I/O外設選擇、定制、DMA選擇。

2. 存儲器外設選擇、定制。

應用配置

1. RTOS選擇、定制。

2. 應用庫/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。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)品中應用最廣泛的網(wǎng)絡(luò )接口之一。根據目標應用的不同，網(wǎng)絡(luò )子系統的要求變化也相當大。簡(jiǎn)單的遠程控制和監控應用只需要每秒數千比特的傳輸能力，而高端存儲或視頻應用則需要持續的千兆比特級的吞吐能力。

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。表1列出了一些典型應用以及相應的TCP/IP載荷吞吐能力要求。

表一：不同應用的網(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大靈活性允許您根據需要開(kāi)啟或禁止處理器、IP內核以及軟件平臺的高級功能，并且可以對許多獨立參數進(jìn)行精細調整，直到在軟件一級滿(mǎn)足應用的要求。此外，利用建模工具可以識別任何性能關(guān)鍵的軟件功能并將其分流至適當的硬件加速器或協(xié)處理器來(lái)完成。容－源－電－子－網(wǎng)－為你提供技術(shù)支持