浅谈FPGA与处理器技术的集成历史

作为“门之海”，FPGA为任何数字功能提供了几乎无限的平台，可以使用通过各种宽度的查找表实现的逻辑表达式来实现。自成立以来，它提供了前所未有的灵活性，同时它们的均匀性和阵列式结构使它们成为制造节点的早期采用者。

尽管始终处于半导体技术的前沿，但性能仍然是依赖于日益复杂的路由模式和时钟结构的架构的限制因素;正是出于这个原因，供应商首先使用硬连线的知识产权（IP）块实现了关键功能。

对更高性能和功耗的无穷无尽的需求促使FPGA供应商将越来越多的固定功能IP集成到他们的产品中。虽然stalwart可能认为这是对FPGA技术优势的侵蚀，但实际上它提供了对逻辑结构中难以实现或难以实现的补充功能的访问。

高端FPGA的市场之一一直是电信;在这里，性能是关键，成本可以是次要的。为了满足这一需求，FPGA现在集成了大量针对数据路径的IP，例如高速以太网，以及其他串行收发器，以及近的光学接口。它们与其他性能关键功能（如PLL和DSP模块）相邻。添加软核处理器以处理控制路径功能的能力意味着大型FPGA在该领域仍然非常流行，通常优于ASIC。

虽然软核可以解决许多任务，特别是在和快的FPGA中，它们仍然有限，可能不适合性能很重要的其他任务。因此，有些自然地，IP集成的扩展看到了“硬”处理器内核的引入;这个概念经过多次迭代才能完全实现，但现在正在许多应用领域产生重大影响。

在FPGA中嵌入硬核处理器内核的早期尝试未能激发整个行业的兴趣或革新技术：太多，太快，也许。整个行业都回归到软核选项上，但很快就会发现嵌入式处理器确实存在市场;它只需要正确的解决方案。可以说，结果证明是ARM。

今天有许多FPGA提供嵌入式ARM内核以及软核选项，原因很明显;性能得到保证。此外，在FPGA架构中通过硬件加速扩展硬核的能力开辟了更多的应用领域，FPGA厂商现在热衷于探索这些领域。

SoC

从概念上讲，FPGA供应商将逻辑结构和硬IP集成为片上系统（SoC）方法，这一术语被处理器供应商广泛使用。整合其他功能。这包括提供可配置逻辑的处理器，例如赛普拉斯的PSoC系列。在性能方面，嵌入式处理器子系统不仅适用于高端产品; Altera现在在其高性能Stratix，中档Arria和低成本Cyclone系列中提供基于ARM的SoC解决方案。

从系统层面来说，在FPGA中包含处理器子系统不需要在物理上支配它。图1显示了Altera的Arria V，它清楚地显示了基于ARM Cortex-A9 MPCore子系统的硬处理器系统（HPS），它只占硅的一小部分。这反映在图2中，即低成本Cyclone V的框图，它也集成了HPS。

可提供单核或双核ARM Cortex-A9子系统及其FPGA架构。

在此配置中，每个内核包含32 KB的L1指令高速缓存和32千字节的L1数据高速缓存，单精度和双精度浮点单元以及NEON媒体引擎，带有CoreSight调试和跟踪功能。还集成了另一个512 KB的共享二级高速缓存，以及64 KB的临时RAM。包括一系列存储器和通用接口 - 多134个通用I/O.重要的是，HPS和FPGA可以独立工作，但通过使用ARM的AMBA AXI总线桥构建的高带宽系统互连保持紧密耦合，这使得HPS可以访问FPGA架构，反之亦然。两座桥都符合AMBA AXI-3标准。专用的32位配置端口允许HPS在启动时配置FPGA。

主题的变化

与Altera一样，Xilinx也采用了双核ARM Cortex-A9 MPCore子系统方法来实现其SoC产品，但与其竞争对手不同，支持三个不同性能/价位的家庭，选择在一个家庭中实现一系列的绩效水平; Zynq-7000。

与Altera的Cyclone V一样，Zynq-7000还支持全部或部分重配置，允许部分FPGA继续运行，而其余部分正在重新配置，而不会停止整个系统。处理器子系统还能够独立于FPGA逻辑运行。

虽然前两个示例使用FPGA架构的“经典”SRAM方法，需要在上电时加载配置数据，但也有基于Flash的SoC器件集成硬核的示例处理器提供更多“即时启动”用例，例如Microsemi的SmartFusion2系列。

与此处推出的其他SoC不同，SmartFusion2系列真正解决了低功耗问题，显然选择了主要与微控制器应用相关的Cortex-M3内核，而不是Cortex-A类。由Altera和Xilinx提供，它更适合应用处理器类型的用例。在这种集成度下，SmartFusion2开始类似于通常不被认为是FPGA的其他解决方案，例如赛普拉斯的PSoC 5系列;然而，凭借高达150,000个逻辑单元的FPGA架构，SmartFusion2系列保留了其FPGA凭证。

结论

FPGA与处理器技术的集成历史悠久且充满了历史。初几乎没有什么希望，它可能有被完全注销的危险。幸运的是，对于所有开发人员而言，FPGA供应商展示了一定程度的愿景，以确保其复兴，这在很大程度上得益于软核的成功。

现在，嵌入式硬核已牢固地“嵌入”工程师的解决方案工具箱中，对于许多应用而言，它实际上可以代表完整的片上系统。它并不止于此：Altera已经宣布其下一代Stratix 10系列将集成四个64位ARM Cortex-A53内核，采用英特尔的Tri-Gate技术构建，具有真正前所未有的性能水平。

与过去一样，看起来FPGA SoC的未来将是多变的，但可能会更加成功。

编辑：黄飞