Altera SoC FPGA架构解析

nm第二代，Arria 10 SoC FPGA处理器子系统仍然一样，含有双核ARM Cortex-A9 MPCore处理器。双核ARM A9保持了软件的兼容性，很容易进行软件移植，由于采用了20 nm工艺技术，处理器性能比第一代提高了87%。第二代还增强了安全特性和存储器支持。Stratix 10 SoC FPGA中集成了四核ARM Cortex-A53处理器，第三代SoC FPGA处理器子系统进一步提高了高端器件的性能。64位A53有效的提高了性能，同时仍然是低功耗器件。如果需要，四个内核中的两个可以运行在32位模式下，以维持与第二代软件的兼容性，而其他两个内核可以运行在64位模式下，以支持新应用。

所有硅片元器件发展路线图的基础都是硅片工艺技术。今天，大部分SoC FPGA都采用了28 nm硅片工艺进行制造。工艺技术的下一主要发展方向是FinFET技术。

FinFET晶体管将沟道翻转至侧面，二维设计转变为三维设计，推动了半导体行业的革命。这种新结构的优点在于密度更高、泄漏更小，有源功耗更低。Intel真正的引领了FinFET技术。Intel的第一代采用了22 nm，他们现在的第二代“三栅极”技术则在14 nm上实现。Altera SoC FPGA将在14 nm工艺节点上采用三栅极技术。

对于调试和开发工具，Altera与ARM达成了长期战略合作关系。2012年12月，两家公司宣布了独家协议，共同开发ARM DS-5嵌入式软件开发工具包，为Altera SoC FPGA提供FPGA自适应调试功能。

与此同时，Altera在FPGA上采用了OpenCL标准，与目前的其他硬件体系结构(CPU、GPU，等)相比，能够大幅度提高性能，同时降低了功耗。OpenCL采用了扩展ANSI C，与使用Verilog或者VHDL等底层硬件描述语言(HDL)的传统FPGA开发方法相比，使用OpenCL标准、基于FPGA的异构系统(CPU + FPGA)具有明显的产品及时面市优势。

6.开发工具

SoC FPGA为实现更快、更便宜、能效更高的电子产品开辟了新途径。但是，伴随着硬件创新，开发和调试工具也应该不断创新。软件最终决定了设计人员能否成功的使用这些器件。为实现更广泛的应用，软件开发人员必须找到合适的SoC FPGA，掌握其特性，就像独立处理器那样轻松高效的使用它们。Altera SoC嵌入式设计套装(EDS)开发环境，使用了ARM DS-5 Altera版工具，与市场上其他调试工具不同。其特点包括FPGA自适应调试、ARM处理器与FPGA工具采用同一条USB电缆、外设寄存器自动显示、VFP和Neon寄存器显等方面均拥有突出优势。

软件开发一直是工程规划的主要部分。同一器件上处理器组合FPGA的这种混合特性增加了新的开发方向。必须仔细考虑这种新方向会怎样影响工程规划、工程团队的学习曲线，以及过去在软件工具上的投入。

首先也是最重要的，这些新器件的工具应兼容ARM，利用了ARM辅助支持系统，这一点非常关键。目前市场上的所有SoC FPGA都采用了ARM处理器IP，通常包括了来自ARM处理器软件开发工具广大的辅助支持系统的支持。但是，每一家供应商针对器件增加的FPGA部分有不同的处理方法。这些不同对以下方面的影响较大：

全芯片调试：在独立处理器上调试应用程序是很好理解的问题，有成熟的软件辅助支持系统提供成熟的解决方案。采用SoC FPGA，SoC不再是预定义的，相应的，调试工具必须支持很多新结构，如在FPGA中实现的其他的用户定义外设，在FPGA中实现的含有硬件加速模块的软件功能，FPGA中实现专用算法的定制逻辑模块。

分析CPU和FPGA。系统分析是任何好调试器都具备的功能，能够帮助开发人员解决常见问题，如系统中的热点在哪里?CPU内核的时间都花在了哪里?所使用的高速缓存效率有多高?为能够让分析功能在具有集成FPGA的处理器系统中真正发挥作用，FPGA事件也必须是分析的一部分。否则，没有FPGA自适应调试功能，开发人员只能看到并控制部分芯片

多核调试。在多核调试中，能够同时独立控制并监视处理器内核是非常有必要的。在某些情况下，需要在一个断点上停止所有内核。但是，在其他情况下，只需要在断点处停止一个处理器，而另一个内核继续执行代码。最好还能查看每一内核上运行的软件。调试器和分析工具应能够设计支持多核应用。作为对比，GNU基于GDB的调试工具最初只是设计满足单核需求。基于GDB的调试器工作起来非常好，但是一次只能处理一个内核。在多核系统中使用基于GDB的调试器时，可以在多个内核上设置断点。但是，当应用软件最终遇到一个断点时，只能观察触发断点的内核。实际上，每次只能调试一个内核。在调试阶段无法看到其他内核，这对于多核调试而言是很大的局限。ARM及其辅助支持系统合作伙伴积极应对这一多核难题，开发了功能强大的高质