在FPGA中實(shí)現(xiàn)MCU內(nèi)核的快速運(yùn)行

有時(shí)，微控制器本身可以完全吸收設(shè)計(jì)的所有功能要求。對(duì)于絕大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，編程良好，高度集成的嵌入式處理器是工程師可以使用的最具成本效益，功效最高，速度最快的解決方案。

當(dāng)原始性能至關(guān)重要時(shí)，捕獲的邏輯專用硬件可實(shí)現(xiàn)最高性能。例如，定序器可以比軟件中實(shí)現(xiàn)的相同邏輯快一個(gè)數(shù)量級(jí)。由于分立邏輯器件占用大量空間和功率，因此添加FPGA是一種可行的替代方案。在許多情況下，F(xiàn)PGA和微控制器的組合是一個(gè)很好的解決方案。當(dāng)微控制器在FPGA的邏輯中實(shí)現(xiàn)時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)更密集的解決方案。作為硬編碼的宏，或者在每個(gè)新設(shè)計(jì)中被替換和布線的軟宏，整個(gè)微控制器吸收到FPGA的房子不僅可以產(chǎn)生最高的密度，而且可以產(chǎn)生最大的靈活性，特別是如果你足夠勇敢地修改核心以提高性能。本文著眼于在現(xiàn)有FPGA中快速運(yùn)行的微核。這些可以從各種獲得，包括開放和封閉，免費(fèi)和IP許可。

比原始版本更好

可以使用傳統(tǒng)架構(gòu)和專有架構(gòu)，每種架構(gòu)都有優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)內(nèi)核與傳統(tǒng)微處理器兼容，并提供熟悉的體系結(jié)構(gòu)。您公司生產(chǎn)的產(chǎn)品可以使用已經(jīng)過測(cè)試和驗(yàn)證的代碼。當(dāng)需要下一代產(chǎn)品甚至是新的改進(jìn)模型時(shí)，組織良好且可靠的代碼庫的可重用性可以節(jié)省大量時(shí)間。

幾種流行的內(nèi)核已經(jīng)以原始邏輯形式實(shí)現(xiàn)了各種各樣的FPGA系列包括諸如Microchip PIC，Intel 8051，Atmel AVR，Motorola 6502，Intel 8080和Zilog Z80微控制器等處理器。一個(gè)不那么明顯的優(yōu)點(diǎn)是能夠改進(jìn)初始化建筑。如果時(shí)間和資源允許，可以克服缺點(diǎn)，因?yàn)槟梢孕薷脑O(shè)計(jì)。例如，非常流行的8051架構(gòu)最初采用有序架構(gòu)，每條指令需要12個(gè)時(shí)鐘周期。精確的傳統(tǒng)實(shí)現(xiàn)可以反映初始功能，或者可以實(shí)現(xiàn)更現(xiàn)代的風(fēng)格，減少每條指令的時(shí)鐘周期數(shù)。

改進(jìn)的8051 IP內(nèi)核也可用于跨平臺(tái)開發(fā)。 R8051XC2-BF核心?可用于ASIC或Xilinx和Altera FPGA;它通過添加第二個(gè)數(shù)據(jù)指針(初始設(shè)計(jì)的缺點(diǎn))和JTAG調(diào)試接口(圖1)改進(jìn)了初始設(shè)計(jì)。

圖1：傳統(tǒng)核心的商業(yè)可用實(shí)現(xiàn)通常會(huì)改進(jìn)初始的離散設(shè)計(jì)。這個(gè)8051內(nèi)核每個(gè)指令運(yùn)行一個(gè)時(shí)鐘，并添加JTAG和第二個(gè)數(shù)據(jù)指針。

ARM內(nèi)核雖然許多設(shè)計(jì)可以使用8位內(nèi)核，但現(xiàn)代功能可能需要更高的總線寬度來簡(jiǎn)化處理。如果您正在操作24位寬的圖形數(shù)據(jù)，則單個(gè)32位傳輸比三個(gè)8位傳輸更有效。

最流行的32位架構(gòu)也許是ARM?Cortex?，令人驚訝的是，它已成為FPGA實(shí)現(xiàn)的流行且受到良好支持的架構(gòu)。從面積和功耗角度來看，ARM Cortex非常高效?？蓴U(kuò)展的架構(gòu)得到眾多工具和開發(fā)套件的很好支持，以及外圍設(shè)備，內(nèi)存管理，數(shù)學(xué)和DSP功能的開源代碼。

ARM內(nèi)核的一個(gè)很好的特性是它們不屬于一個(gè)FPGA制造商，可以在不同制造商的設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。這意味著隨著設(shè)計(jì)的發(fā)展或需求的變化，您不會(huì)被鎖定在一個(gè)供應(yīng)商中。另一個(gè)好處是，架構(gòu)可以從更簡(jiǎn)單，功能更少的Cortex M0擴(kuò)展到非常高端的多核A8和A9風(fēng)格。此外，還具有經(jīng)過賽道驗(yàn)證的驅(qū)動(dòng)程序和堆棧，可用于高端外設(shè)，如USB，以太網(wǎng)，Wi-Fi，ZigBee，藍(lán)牙等。

Xilinx系列產(chǎn)品是嵌入式微核的大支持者，而ARM架構(gòu)也不例外。像XC5VLX50-1FFG676C這樣的器件是XilinxVirtex?5系列的一部分，它是一個(gè)非常大，密集，高端的FPGA的例子，它可以在芯片上安裝一個(gè)快速而密集的系統(tǒng)。 550 MHz器件具有440個(gè)I/O和超過46，000個(gè)邏輯模塊，不僅支持ARM內(nèi)核功能，還支持高達(dá)72位寬的存儲(chǔ)器寬度，流水線操作，F(xiàn)IFO，具有高達(dá)16.4 Mbits內(nèi)部塊存儲(chǔ)器的雙端口存儲(chǔ)器和DSP功能。

Microsemi是另一家提供ARM內(nèi)核支持的FPGA制造商，ProASIC3系列是一款優(yōu)秀的目標(biāo)技術(shù)，具有令人印象深刻的低端到高端邏輯，I/O，RAM和門數(shù)15，000到3，000，000。一個(gè)很好的例子是A3PE3000-FGG484具有341個(gè)I/O和516 Kbits的內(nèi)部RAM。

Altera具有可比較的部件，如EP3SL50F780C4N，它同樣支持ARM核心處理器，并為DDR，DDR2，DDR3，SDRAM提供內(nèi)存支持更多，最多24個(gè)模塊化I/O bank，448 I/O(系列中最多744個(gè))。作為Stratix?III系列的成員，Altera可以訪問Altera Mega-Function合作伙伴計(jì)劃(AMPP)，以獲取可用的外設(shè)，內(nèi)核和支持。 Altera還通過其Altera MegaCore功能支持多種知識(shí)產(chǎn)權(quán)(圖2)。

圖2：高端32位ARM架構(gòu)是許多FPGA的流行核心。該Altera版本增加了多核調(diào)試和跟蹤功能，簡(jiǎn)化了單個(gè)FPGA內(nèi)多個(gè)實(shí)例化處理器內(nèi)核的設(shè)計(jì)。

專有內(nèi)核

除了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的微控制器內(nèi)核外，F(xiàn)PGA制造商還提供專有內(nèi)核，這些內(nèi)核具有非常高的邏輯效率，可擴(kuò)展至8至32位的性能水平。這些供應(yīng)商的關(guān)鍵不是在不需要的功能和外圍設(shè)備上浪費(fèi)邏輯;經(jīng)?？s減，實(shí)現(xiàn)了裸機(jī)處理單元，以提供基本的可編程性和FPGA內(nèi)部大型邏輯池的接口。這不僅可以讓內(nèi)核快速運(yùn)行，而且還可以保持它們足夠小，以便在SoC內(nèi)部創(chuàng)建自己的雙核，四核甚至八核處理器。

Xilinx指定Blaze這樣的內(nèi)核，可以同時(shí)使用PicoBlaze和MicroBlaze口味。 PicoBlaze是一種8位RISC架構(gòu)，具有高達(dá)240 MHz的性能。它主要設(shè)計(jì)用于VHDL設(shè)計(jì)流程，并作為VHDL源文件提供。一旦在13個(gè)不同的Xilinx系列中實(shí)現(xiàn)，它就不需要外部元件，完全在主機(jī)部分內(nèi)部運(yùn)行。

支持的系列包括Kinetex-7，Artix-7，Virtex(4，5，6，7，II-Pro) )和Spartan?(3和6)。從資源和復(fù)雜性的角度來看，PicoBlaze是Spartan(雙關(guān)語)。它具有一個(gè)16 x字節(jié)寬的通用數(shù)據(jù)寄存器，1K可編程片上程序存儲(chǔ)器(在FPGA配置期間自動(dòng)加載)，一個(gè)帶有CARRY和ZERO指示器標(biāo)志的字節(jié)寬運(yùn)算邏輯單元(ALU)，64字節(jié)內(nèi)部暫存器RAM，256個(gè)輸入和256個(gè)輸出端口，便于擴(kuò)展和增強(qiáng)。另一方面，它具有可預(yù)測(cè)的性能，每條指令總是兩個(gè)時(shí)鐘周期，高達(dá)240 MHz(或Virtex-4中的100 MIPS) FPGA)和88 MHz(或Spartan-3 FPGA中的44 MIPS)。 PicoBlaze對(duì)Xilinx用戶免費(fèi)提供，并附帶匯編程序和VHDL源代碼。

高端是Xilinx MicroBlaze。這是一個(gè)32位RISC Harvard架構(gòu)軟核處理器內(nèi)核，具有32個(gè)通用32位寄存器，ALU，針對(duì)嵌入式應(yīng)用優(yōu)化的豐富指令集，三級(jí)MMU/MPU支持等。

靈活性該核心(圖3)允許您選擇性能優(yōu)化的五級(jí)流水線，使用Kinetix-7系列(例如XC7K70T-1FBG676C)或3級(jí)流水線區(qū)域優(yōu)化版本可實(shí)現(xiàn)高達(dá)317 DMIPS在Xintex-7或Virtex-6和7系列器件(如XC6VLX130T-1FFG784C)上仍然可以達(dá)到令人尊敬的264 DMIPS。

圖3：用于Xilinx FPGA的專有32位MicroBlaze內(nèi)核有條件編譯指令允許你添加你需要的塊，并消除你不保存邏輯和提高密度的塊。

Altera還提供了一個(gè)名為NIOS的專有內(nèi)核，現(xiàn)在是第二代NIOS II版本(圖4) 。作為業(yè)界使用最廣泛的軟處理器，它具有功率靈敏度和安全關(guān)鍵(DO-254)兼容性的實(shí)時(shí)性能。

圖4：Altera的第二代NIOS II內(nèi)核被譽(yù)為FPGA中使用最廣泛且支持的IP內(nèi)核，并帶來了許多開發(fā)和調(diào)試功能。

六級(jí)流水線NIOS內(nèi)核可以實(shí)現(xiàn)少至600個(gè)邏輯單元和特征向量中斷控制，緊密內(nèi)存和DSP耦合，以及添加自定義指令(最多256個(gè))的能力。它可以使用內(nèi)存管理單元(MMU)，并在開源和商業(yè)支持的版本中支持嵌入式Linux。

可行的替代方案

您的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)將決定您是應(yīng)該選擇硬宏還是軟宏。硬宏占用FPGA內(nèi)部的特定位置和資源，但硬編碼宏的特性更好，可以實(shí)現(xiàn)更好的性能。

軟宏也可以實(shí)現(xiàn)良好的性能，特別是如果你足夠勇敢修改，改進(jìn)，或平行他們。一如既往，良好的設(shè)計(jì)實(shí)踐將產(chǎn)生最佳結(jié)果?？傊?，當(dāng)需要盡可能高的密度和/或性能時(shí)，選擇FPGA內(nèi)部的軟處理器而不是傳統(tǒng)的微控制器及其所有支持電路可能在靈活性，效率，性能，功耗和空間方面，這是一個(gè)更好的解決方案。