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【作者】李明骏

 在赛灵思发布Zynq半年之后,Altera也向外界披露了其集成ARM处理器的可编程逻辑器件方案。尽管样片要明年下半年才能提供,但开发人员可利用其同期推出的虚拟目标平台现在就开始软件设计。

 如同DNA的双螺旋上升结构,赛灵思和Altera这两家全球FPGA领域的绝对领导者在技术演进、新产品开发等方面也一直呈现你追我赶、交替上升的局面。自去年两家公司先后宣布了在可编程逻辑器件里集成当前业界流行的处理器内核ARM Cortex-A9之后,不到一年,两家公司又相继披露了相关产品的规划细节:2011年3月,赛灵思首先发布了集成ARM内核的新产品线系列Zynq,并将之称为“带FPGA功能的处理器”(见本刊2011年4月期报道);而Altera也不甘人后,于不久前向外界详细介绍了其集成ARM内核的FPGA产品。和赛灵思开辟全新产品线的做法不同,Altera是将ARM内核与其已有的Cyclone、Arria产品系列整合,并将整合后的新产品直接称为SoC FPGA;不过类似的是,Altera也没有特别突出新产品的FPGA特性,而仅仅将其可编程性能作为一种功能加以介绍。

 “该产品相当于是在一个基于ARM核的SoC里集成了分立FPGA、DSP和微处理器,这样开发人员可以迅速开发基于ARM的定制SoC,以满足系统要求并适应标准的变化,”Altera公司亚太区高级市场经理罗嘉鸾说道。“其处理能力达800MHz,可用于高性能嵌入式系统,包括很多ARM软件辅助系统供应商提供软件支持的多种应用,如汽车辅助驾驶、智能视频监控、工业自动化、航空航天、国防、广播以及无线通信等。”

 据介绍,Altera发布的SoC FPGA基于其28nm产品系列Cyclone V和Arria V,处理器系统采用了双核800MHz ARM Cortex-A9 MPCore处理器,同时具有NEON媒体处理引擎、单精度/双精度浮点单元、L1和L2高速缓存、ECC保护存储器控制器、ECC保护高速暂存存储器,以及多种常用外设,包括USB 2.0 OTG以及10/100/1,000M以太网。处理器系统的峰值性能达到4,000 DMIPS,功耗不到1.8瓦。处理器系统和FPGA架构独立供电,能够以任意顺序配置和启动,因此在上电时,处理器可以在程序控制下先启动,然后对FPGA进行配置或重配置,另外也可以先配置FPGA,然后释放处理器,通过一个闪存接口或在FPGA架构中实现的逻辑启动处理器。而工作起来后,又可以根据需要关断FPGA部分,以降低系统功耗。

 在处理器内部,ARM Cortex-A9 MPCore处理器系统和FPGA通过大吞吐量数据通路实现互联,峰值带宽超过125Gbps,其数据完整性优于采用单独FPGA和ARM处理器两片方案。集成的单芯片SoC FPGA可使设计人员在处理器和FPGA之间不必采用外部I/O通路,这样大幅度降低了系统功耗。“相对于FPGA+处理器两片式方案,SoC FPGA可以降低30%系统功耗,同时器件面积减少了55%,以及只需两种电源,走线需求降低,使电路板面积也缩小了,”罗嘉鸾说道。“这些都可降低元器件成本,以及PCB复杂度和成本,意味着系统总体成本的降低。”

 Cyclone V和Arria V SoC FPGA都基于低功耗28nm工艺(28LP),这些系列具有分别工作在5Gbps和10Gbps的嵌入式收发器。FPGA架构包括精度可调DSP模块以及三个ECC保护存储器控制器。Cyclone V SoC FPGA可提供仅有逻辑、基于3Gbps收发器以及基于5Gbps收发器等三个型号,具有110K逻辑单元(LE),针对成本敏感的应用,非常适合大批量应用,包括下一代芯片级工业设备、高级辅助驾驶以及视频监控等。Arria V SoC FPGA提供基于6Gbps和10Gbps收发器两种型号,器件具有460K LE,适合满足对性能要求较高的中端应用,包括远程射频前端、LTE基站和多功能打印机等。

 为了帮助系统开发人员现在就开始进行SoC FPGA嵌入式软件的开发,Altera还特别推出了虚拟目标平台,可在能够使用硬件之前立即着手应用软件开发,以便将代码迅速移植到最终硬件,缩短产品面市时间。虚拟目标平台实质上是在Synopsys公司成熟的虚拟原型开发解决方案基础上的一个基于PC的SoC FPGA功能仿真,它与SoC FPGA电路板二进制和寄存器兼容且功能等价,保证了开发人员以最小的工作量将在虚拟目标上开发的软件移植到实际电路板上。平台支持主要ARM系统开发工具,支持Linux和VxWorks,这样嵌入式软件工程师可使用熟悉的工具来开发应用软件,最大限度重新使用已有代码,利用目标控制和目标可视化功能进一步提高效能,这对于复杂多核处理器系统开发非常重要。

 对于Altera新推出的SoC FPGA产品,尽管样片以及参考设计和开发电路板要到明年下半年才能提供,但嵌入式软件开发人员现在可以先购买SoC FPGA虚拟目标平台开始面向SoC FPGA编写器件专用应用软件。据透露,SoC FPGA批量采购价格为15美元起。

 

(注:本文原文刊载于《集成电路应用》2011年第11期,转载请注明出处。)

 

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