基于ARM的SoC FPGA嵌入式系统的设计实现

台，利用开发基础支撑条件，开发人员能够很快抓住嵌入式系统市场的机遇。

灵活性

在嵌入式系统市场上应对竞争需要很高的灵活性。网络和通信应用必须适应新的或者变化的标准。工业和医疗供应商不一定需要大批量产品，但是对专业化产品有很大的需求。不考虑特殊应用领域，嵌入式系统开发人员必须能够灵活的应对激烈的竞争，利用最新的技术，很快抓住新的市场机遇。

SoC FPGA 非常适合满足嵌入式市场需求。基于ARM的SoC FPGA 中的逻辑部分很容易应对各种变动，适用性较强。在SoC FPGA 中，逻辑是现场可编程的，意味着很容易迅速修改，以突出产品优势，进行更新或者重制某一产品型号。在有保证的情况下，即使设备在现场部署后，也可以进行重新配置。

可更新和设计重用

设计重用是管理成本、缩短市场窗口、提高设计资源利用率的关键手段。能够在多个器件和系列中调整并重新使用设计内容，这种能力是无价的。当把现有设计或者IP模块应用到体积、功耗和性能需求都不同的器件上时，借助这种方法，设计人员不需要从头开始重新进行设计。由于越来越多的设计团队分散在世界各地，重新使用功能不但提升了效能，而且提供了共享和利用已有内容的好方法。

SoC FPGA 体系结构支持多个IP内核，灵活的适应不同的器件系列。很多应用都有不同的价格、性能、功耗和其他限制，采用可重用和可更新内容很容易满足这些需求。随着工艺技术的进步，采用这类FPGA 系列，通过在下一代产品中导入IP，能够方便的移植到下一工艺节点。

长寿命产品

对于很多应用而言，长寿命产品是要考虑的重要因素。产品生命周期，特别是医疗、工业和军用器件，长达10 到15 年，甚至更长。但是，IC 供应商的产品一般只供应较短的时间。当这类产品的产品生命周期超过其IC 组件时，设计人员会有很大的成本代价，花费宝贵的设计资源进行设计移植，或者重制。

为避免产品过时或者失效问题的不利影响，建议需要较长产品生命周期的嵌入式系统开发人员选择经过严格可靠性测试的实施方案，供应商在预期的产品生命周期内都能够提供支持。由于其长寿命并且容易移植，工业、军事、航空航天、汽车以及医疗应用一直在采用FPGA.长寿命器件意味着很少在现场进行产品维护，从而降低了维护成本，支持将设计资源应用到新产品上。

Altera SoC FPGA

作为2011 年启动的“嵌入式计划”的一部分，ALTEra 为嵌入式系统市场提供28-nm基于ARM的SoC FPGA.这些Altera 产品具有：

■先进的硬核ARM处理器、外设和高速互联。

■片内Altera FPGA 架构、第二个存储器控制器以及PCI Express（PCIe）接口。

■支持已有内容和IP集成的设计工具。

■采用或者不采用硅片，加速软件开发的仿真环境。

硅片

在28-nm 工艺节点，Altera 使用了定制方法，在Arria V 和Cyclone V FPGA 系列中提供ARM处理器，以满足多种嵌入式应用需求。在相同的TSMC 28-nm 低功耗（28LP）工艺上生产的两种系列产品都能够满足嵌入式系统的系统低功耗和低成本需求。

Altera 的Cyclone V FPGA 系列非常适合对功耗和体积要求较高的应用，而Arria VFPGA 系列在体系结构上为满足高性能嵌入式应用而量身定制。

Altera ARMHPS（图4）在全功能HPS中结合了双核ARMCortex-A9 MPCore处理器、存储器控制器以及外设IP.28-nm 工艺节点的高性能双核ARMCortex-A9 MPCore 处理器工作速率高达800 MHz.双核配置实现了灵活的SoC FPGA 产品，其性能能够进一步满足未来的需求。内置NEON媒体处理引擎和双精度浮点单元为多媒体和信号处理应用提供了标准化加速功能。每个内核32 个32-KB Level-1 高速缓存，在512-KB 共享Level-2 高速缓存的支持下，通过减小延时和存储器访问时间，有助于提升性能。

图4. 基于ARM的硬核处理器系统简介

除了ARM内核本身，HPS还包括SDRAM控制器子系统、通用外设阵列，以及高速片内互联。外设组包括增强闪存控制器、MMC、DMA、USB 2.0、以太网、UART、SPI 和GPIO 接口。最后，Altera 独特的片内总线体系结构通过高速互联连接了HPS和FPGA，总带宽大于125-Gbps.

在片内Altera FPGA 中实现了专用逻辑。由于能够长期稳定的为Cyclone V 和Arria VFPGA 系列提供支持，Altera 产品在正常工作条件下，使用寿命一般能够达到20 年以上。

快速系统设计工具

Altera 的Quartus II 开发软件提供了高效的设计环境，帮助开发人员迅速实现基于ARM的SoC.所包含的Qsys系统集成工具在IP功能和子系统之间自动生成互联逻辑，从而显着缩短了设计时间，减轻了设计工作量。对于使用AMBA等通用接口标准和协议编写的IP，Qsys自动