给MCU工程师详解FPGA硬件属性

更为复杂的FPGA架构

正如我们在前面说的那样，赛灵思公司在1985年推出的第一块FPGA—XC2064包含8×8=64的逻辑块阵列，每个逻辑块包含一个四输入查找表及其它一些简单功能。由于它们的容量非常有限，因此早期的FPGA只用来执行一些相对简单的任务，比如集中一些胶合逻辑，或实现基本的状态机。然而随着时间的推移，事情开始改变……

随着时间的推移和工艺节点的进步，FPGA的容量和性能不断得到提高，功耗却不断的下降。直到大约2006年以前广泛使用的一直是四输入查找表。事实上，在写这篇文章之时，较小的FPGA系列器件仍在使用四输入的查找表，但一些高端器件可能使用六、七或八输入的查找表。这些大家伙可能被用作一个大的查找表，或分裂成许多更小的功能，比如两个四输入的查找表或一个三输入一个五输入的查找表。在实际的高端器件中，这种可编程构造可以描述相当于百万级(有时甚至千万级)的原始逻辑门。

如果某个逻辑功能(比方说计数器)是用FPGA的可编程构造实现的，那么这个功能可以被说成“软功能”。相比之下，如果某个功能是直接用芯片实现的，则被说成“硬功能”。(随着这些功能变得越来越大越来越复杂，我们一般称它们为内核)。软内核的优势在于，你可以让它们做你想让它们做的任何事。硬内核的优势是它们占用较少的硅片面积，具有较高的性能，并且功耗较低。最优的解决方案是混合使用软内核(用可编程构造实现)和硬内核(直接用硅片实现)。这样，除了基于查找表的可编程构造外，今天的FPGA可以利用以下介绍的各种硬内核进行性能增强：


图3：更复杂的FPGA架构。

举例来说，该器件可能包含数千个加法器、乘法器和数字信号处理(DSP)功能；数兆位的片上内存，大量的高速串行互连(SERDES)收发器模块，以及众多的其它功能。

带嵌入式处理器的FPGA

这是真正让人兴奋的事情……你可以用FPGA中的普通可编程构造做的事情之一是，使用其中的一部分实现一个或多个软处理器内核。当然，你可以实现不同规模的处理器。举例来说，你可以创建一个或多个8位的处理器，加上一个或多个16位或32位的软处理器—所有处理器都在同一器件中。

如果FPGA供应商希望提供一个占用较少硅片面积、消耗较低功率但性能更高的处理器，解决方案是将它实现为硬内核。一个非常令人兴奋的开发成果是Altera和赛灵思等公司最近推出的SoC FPGA。考虑下面所示这个例子：


图4：一种新的SoC FPGA

这个漂亮的小东西整合了一个完全以硬内核方式实现的双路ARM Cortex-A9微控制器子系统(运行时钟高达1GHz，包含浮点引擎，片上缓存，计数器，定时器等)，以及种类广泛的硬内核接口功能(SPI,I2C,CAN等)，还有一个硬内核的动态内存控制器，所有这些组件都利用大量传统的可编程构造和大量的通用输入输出(GPIO)引脚进行了性能增强。(即将在16nm节点推出的一款SoC FPGA据称包含四内核的64位ARM Cortex-A53处理器，双内核32位ARM Cortex-R5实时处理器，以及一个ARM Mali-400MP图形处理器。这些可不是你祖母时候的FPGA哦！)

传统的嵌入式系统架构师可能将其中一个器件放置在电路板上，并将它用作传统的高性能双内核ARM Cortex-A9微控制器。当电路板上电时，硬微控制器内核立即启动，并在任何可编程构造完成配置之前就可用了。这样可以节省时间和精力，并让软件开发人员和硬件设计师同时开始开发。

一种情形是软件开发人员捕获他们的代码，在SoC FPGA的Cortex-A9处理器上运行这些代码，然后通过分析识别任何可能严重影响性能并成为瓶颈的功能。这些功能随后可能就转交给硬件设计工程师用可编程构造来实现，它们(这些功能，不是设计工程师)将使用较低的时钟频率提供明显更高的性能，而且功耗更低。

前面我们说过，硬内核实现的功能(图4所示的ARM Cortex-A9就是一种硬内核)与等效的软内核相比具有更高的性能和更低的功耗。但现在我们又说如果在硬内核处理器上运行的软件功能是个瓶颈，我们可以用可编程构造来实现，这样它就能……你理解的没错，提供更高的性能和更低的功耗。