FPGA研发之道(21)-鸡肋?

作者：阿昏豆

通常认为，SOPC是FPGA设计中的鸡肋，“弃之可惜，食之无味”。诚然，SOPC一直不是FPGA的主流应用设计，制约主要因素则是性能，因为作为处理器使用时，处理器主频是其应用范围的瓶颈（SOPC的软核处理器一般运行几十兆到百兆，而一般的嵌入式处理器系统在几百兆到Ghz的主频）。但是若因此说成“鸡肋”，也确实夸张。厂家推出SOPC的设计，其优点主要有一下几点，其一：是差异化竞争的需要。其二，扩大应用范围，争取更多的软件工程师能够从事FPGA设计。其三，可以替代低性能处理器，减少板级的面积和BOM成本。

那么，那么FPGA内部基于软核处理器的系统的主要应用场景有哪些，总结如下：

(1)               管理配置：对于性能无要求的管理配置功能。如某外接芯片或FPGA内部IP在其工作之前，需进行初始化和管理配置，而初始化的模块较多或者管理配置较为复杂，此种情况下，用软件处理更为方便合理。因此，假如FPGA内部资源较为充足，通过内部建立SOPC系统，利用片内的软件给多个外围模块或者内部IP进行初始化的配置管理，即省去配置CPU，减少板级面积，也能便于配置的修改，同时还可以作为前面讲的可测性设计的一部分，用于内部各模块计数统计，功能测试等。

(2)               配合专用硬件加速单元使用： SOPC系统可以通过总线扩展专用协处理单元。即将关键模块硬件化实现，实现高速的处理。举例说，如实现图像处理功能，而SOPC的软件性能不能支持高分辨率图像的处理能力，则可以通过逻辑实现专用的图像处理算法，通过总线接口与SOPC系统连接。，SOPC只作为数据的管理和调度使用。 此外厂商还这么提供了SOPC优化手段，例如通过算法指令分析，确定最多的操作，通过专用指令硬件实现，通过在程序中调用专用指令，也是能够提升性能的方式之一。

(3)               多核并行：这里多核并行通常意义不同，指通过多个SOPC系统，并行执行，可以提升系统的性能。对于单指令集多数据流的业务，通过将业务流分配到多个SOPC上，通过多个SOPC系统并行处理的方式，来提升整个系统的性能。此种情况下，通过多个SOPC系统并行处理，需满足几个条件：（1）即业务之间没有关联性，不需要再多个SOPC之间进行数据的交互，否则会影响整个系统的性能。（2）程序区不能太大，最好全部存储在片内RAM中。而不用占用外部存储区（DDR或者SRAM），否则，多个片上存储系统争抢外部存储区，可能会造成系统性能的瓶颈，如需存储在片外，则接口竞争部分则是关键设计。



       SOPC就像一个偏科生，其优点和缺点都是那么明显，即其强大的灵活性和可编程性，配置其可怜的主频。但是通过一系列提升性能的手段，SOPC在某些业务中也可以大显身手，尤其是需求频繁变更的业务，将变化部分通过软件实现，而不变部分硬件化实现，可以更快的满足市场的需求。

    最后，软核CPU处理能力的瓶颈，也促使现有FPGA厂商提供了基于硬核CPU的SOC+FPGA的解决方案，而这些的努力将促进FPGA应用场景的扩展。FPGA广阔天地，大有可为。