基于FPGA的32位嵌入式處理器的解決方案

嵌入式系統與桌面PC結構非常不同，但其底層技術發展卻是一樣的，而且遵循著類似發展趨勢。當桌面PC轉向64位架構來滿足不斷增長的存儲器要求時，嵌入式系統也由于同樣的原因快速轉向32位處理器。桌面/服務器計算市場主要是圍繞x86架構，大多數創新和差異都在系統級，如雙核、四核或多核中央處理架構、集成圖像處理器單元和存儲器控制器等等。同樣，嵌入式系統則主要圍繞簡單的32位RISC處理器，多核架構、集成外設以及可配置處理等系統級發展，使得設計人員能夠快速適應不斷變化的應用要求。根據iSuppli的研究報告，2007年32位微控制器(MCU)市場將超過8位MCU市場。如圖1所示，32位MCU市場的增長速度超過了半導體市場其它部分的增長速度，而8位MCU市場的份額過去幾年時間里則有所下降。 

這一趨勢的主要推動力是嵌入式系統中軟件內容和復雜性的不斷增加，因此直接產生的后果是需要更寬的存儲器總線　(32位)來滿足軟件程序所使用的代碼和數據要求。與傳統微處理器不同，32位處理器不需要分段等存儲器管理技巧就可以處理更大的存儲器空間，因此使編程更容易。8位MCU必須采用難學難用的匯編語言來滿足小存儲器空間限制(少于32K字節)，而許多32位嵌入式應用則可以利用C/C++來編程，從而提高了嵌入式軟件開發人員生產力。更為重要的是，越來越多的操作系統(實時和非實時)都提供現成的驅動程序和軟件庫，從而使軟件開發人員能夠集中于應用本身的開發。

集成降低成本

在摩爾定律的指引下，越來越細的硅工藝線寬使得32位嵌入式解決方案的成本不斷降低，從而可以滿足更多的應用對價格的要求。此外，集成外設和片上存儲器進一步降低了元器件和總體材料清單成本。通過集成針對手機和游戲機等垂直應用而優化的外設，許多器件的價格大大降低，直接推動了市場增長。

價格壓力還導致只能在這些系統中集成一組固定的外設，因此通常的外設組合是面向大批量應用的。然而，不可能有適用于所有應用的萬能器件，因此許多小批量、中等規模甚至大批量應用都無法直接利用成品集成解決方案。其結果是設計人員必須采用額外的芯片來擴展外設、分流處理器的負擔，或增加膠合邏輯。這也是可配置處理解決方案產生的原因。

可配置32位處理

根據Gartner Dataquest的報告，如圖2所示，基于FPGA嵌入式處理方案的應用正在增長，到2010年，約40%的FPGA設計將包括嵌入式處理器。因為能夠定制滿足特定應用或產品的要求，嵌入系統設計人員正在越來越多地采用基于FPGA的可配置處理解決方案。這一方法的主要優點是可通過集成降低成本，同時還可實現產品在市場上的差異化。

通過選擇同一FPGA系列中的不同器件，或者將設計重新適配到新的FPGA器件中，能夠針對更高性能、更低成本、或者不同的I/O標準進行個性設計。這樣可以降低設計過時的風險，從而保證設計是未來可用的。對于必須有長使用壽命的產品(如汽車或工業應用)，這是特別關鍵的一個因素。

圖1：32位MCU市場的增長速度超過了其它類型的MCU的增長速度。

可配置處理系統的配置(或定制)的層面包括：

處理器配置

1. 乘法器、除法器、浮點單元以及其它。

2. 指令或數據緩沖配置。

3. 協處理器或硬件加速器。

系統配置

1. I/O外設選擇、定制、DMA選擇。

2. 存儲器外設選擇、定制。

應用配置

1. RTOS選擇、定制。

2. 應用庫/中間件定制。

許多產品都包括需要某種形式網絡或通信接口的嵌入式系統。由于以太網成本低、幾乎無處不在，并且可以利用TCP/IP等互聯網協議連接互聯網，因此以太網是目前在嵌入式產品中應用最廣泛的網絡接口之一。根據目標應用的不同，網絡子系統的要求變化也相當大。簡單的遠程控制和監控應用只需要每秒數千比特的傳輸能力，而高端存儲或視頻應用則需要持續的千兆比特級的吞吐能力。

為簡單起見，我們將使用TCP載荷吞吐能力做為性能比較的主要指標。表1列出了一些典型應用以及相應的TCP/IP載荷吞吐能力要求。

表一：不同應用的網絡吞吐量要求

可配置的嵌入式網絡

基于FPGA的處理解決方案提供的強大靈活性允許您根據需要開啟或禁止處理器、IP內核以及軟件平臺的高級功能，并且可以對許多獨立參數進行精細調整，直到在軟件一級滿足應用的要求。此外，利用建模工具可以識別任何性能關鍵的軟件功能并將其分流至適當的硬件加速器或協處理器來完成。容－源－電－子－網－為你提供技術支持