“FPGA+CPU” 并行处理大行其道

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“FPGA+CPU” 并行处理大行其道

2019-09-11 18:39栏目:电商

  深亚微米时期,古板质料、构造甚至工艺都正在趋于极限状况,摩尔定律也已有些左支右绌。而步入深亚纳米时期,晶体管的尺寸就将亲近单个原子,无法再往下缩减。古板ASIC和ASSP计划不行避免地碰到了诸如计划流程纷乱、坐蓐良率低落、计划周期过长,研发制作用度剧增等困难,从某种水平上大大放缓了摩尔定律的延续。

  显而易睹的是,正在巨额的流片本钱眼前,许众中小领域公司不得不蜕变战术,更众的转向FPGA的斥地和计划。反观FPGA商场,即使是5年前,其相关于ASIC的商场增速依然相当迟笨的,但正在近些年,加倍是迈进90nm节点之后,其本钱上风逐步凸显。

  二十年如一日,长久占领着可编程逻辑器件商场的两大巨头Xilinx和Altera依旧作为屡屡。8月的Altera研讨会,13个都市的技艺巡演,大张旗饱地力推28nm工艺上的V系产物、SOPC Builder到Qsys新平台的更迭甚至SOCFPGA的新构念。比拟之下,9月的Xilinx则低调很众,但依旧拿出了7系列产物与敌手叫板。从一年前的65nm到此日的28nm,因为门延时早已不再是速率功能晋升的瓶颈,因而用户可以感触到的蜕变只是器件密度的提升和单元本钱的低落。除此以外,只可说厂商绞尽脑汁的优化器件架构和改正斥地用具功能成为了另一道可供鉴赏的景物线。 无独有偶,Xilinx和Altera都纷纷加快推出了内嵌硬核CPU的FPGA器件。FPGA+CPU的处置计划并不稀奇,早正在五年前就被提出并付诸推行,Xilinx和Altera也不停正在戮力于本人的软核CPU的推动,但商场响应彰着没有抵达预期。Xilinx适应商场需求,率先于客岁4月揭橥了集成ARM Cortex-A9 CPU和28nm FPGA的可扩展式解决平台(Extensible Processing Platform)架构。时隔不到一年,可扩展解决平台Zynq-7000系列又被搬上了前台,Xilinx的尽心良苦可睹一斑。Altera也不示弱,英特尔正在客岁秋季揭橥的凌动E600C可摆设解决器中就集成了Altera的FPGA,而且Altera即将推出的同样集成Cortex-A9 CPU的SoC FPGA分明是要与Xilinx唱对台戏。

  关于咱们而言,更众的是须要去商量和思索这种新的斥地平台是否真的知足客户日益拉长的“物质文明”需求。咱们也不禁会问:FPGA+CPU的集成架构真相是适应了史册兴盛的趋向,依然仅仅旷世难逢转眼即逝? 如图1所示,一个比力简化的古板嵌入式体系如左图所示,单片集成了CPU的FPGA架构则如右图所示。新京萄单从硬件架构层面来看,相同没有太大的上风,仅仅只是二合一云尔。然则真正做过体系斥地的工程师都显露,这种二合一所带来的不只仅是BOM本钱低落和组织的简化,更众的利好是咱们肉眼看不到的软硬件底层毗连的优化和无形之中的精巧性以及潜正在的功能晋升。

  基于FPGA的CPU集成将带来的少许潜正在上风网罗:更易于知足大无数体系的效力性需求;潜正在的改正了体系的功能;正在某些行使中的精巧性和可升级性大大提升;解决器到外设的接口可以获得优化;软硬件互联的接口功能获取极大的晋升;有利于计划的重用和新计划的疾速成型;简化单芯片以至整板的PCB组织布线。

  FPGA+CPU的单片集成相较于古板行使的上风由此可睹一斑,但从另一个角度看,正如CPU从单核到众核演进正在延续着摩尔定律的“魔咒”,FPGA+CPU的强势出击更像是并行解决嵌入式行使中的大行其道。

  延续从来的态度,Xilinx和Altera正在其嵌入CPU的FPGA器件上都不约而同地拔取了功能超卓的ARM Cortex-A9内核,可睹他们目前对准的商场趋势于中高端行使客户。而正在低端行使方面,即使是收集爆炸的时期,寂寂无闻的Capital-Micro公司依旧不为空阔工程师们所熟知,但他们斥地的可重构体系芯片CsoC(Configurable SoC)却悄悄无声地正在中低端商场行使中杀出了一片血道。值得一提的是,这是一家地地道道的中邦本土FPGA厂商。

  从1971年Intel的第一片4位解决器问世至今刚好已有40个年代,固然嵌入式行业资历了翻天覆地的巨变,但即使你以为它是“土得掉牙”却粗略适用的8位MCS-51单片机却依旧标新立异,加倍是正在邦内的一共工控行业中依然有着很强的性命力。从05年创立至今,Capital-Micro先后推出了Astro和AstroII两代CSoC。其内嵌的8051正在两代器件上永诀能够不变地运转到100MHz和150MHz。固然因为FPGA制作工艺还处于0.13um,大大限制了逻辑功能,但目前的这两代产物起码能够知足网罗步进电机把握、LCD驱动把握、接口扩展、LED把握卡、微型打印机正在内的工业行使需求。

  从器件的内部架构上来看,如图2所示,AstroII中不只有同类产物中堪称功能“优秀”的8051硬核,也集成了少许常睹的外设如守时器、看门狗、UART、IIC和SPI等。当然,8051的序次启动也全体选取了形似许众ARM的直接映照(Fully Shadowed)办法,确保读写迂缓的ROM不再成为限制CPU功能的瓶颈。而8051与FPGA的互联方面,不只能够应用8051的EMIF寻址(23位宽可寻址所在总线bit的DPRAM也是高速数据传输的不错拔取,而且正在这些互联接口上都仍旧固化好了同步逻辑,无需计划者华侈元气心灵。其它,从最便宜的晶体时钟扶助,到I/O数目的最大化,再到其和蔼可亲的价钱,无不向咱们展现着这款邦产芯片的“经济合用”。

  总而言之,无论是Xilinx依然Altera,抑或是横空诞生的Capital-Micro,他们所力推的全新单片集成器件,无不预示着FPGA+CPU的并行解决架构将正在嵌入式行使中拓荒出一片全新的宇宙,正在这个单片功能晋升即将迈入极限的深亚纳米时期,精巧众变的FPGA依靠其独有的并行性必将助力古板CPU的功能再次迈向新的高度。