FPGA與ARM核結合實現功能互補
2012-08-20 20:42:23 本站原創隨著FPGA技術的不斷發展和創新，使RISC處理器與FPGA集成、兩種系統的融合與優化成為新一代FPGA的發展趨勢。
如今，FPGA技術正處在高速發展時期，芯片規模越來越大，集成度越來越高，速度不斷提高，性能不斷提升，功耗也越來越低。FPGA憑借其強大的并行信號處理能力，在應對控制復雜度低、數據量大的運算時具有較強的優勢。但是在復雜算法的實現上，FPGA卻遠沒有32位精簡指令集計算機(RISC)處理器靈活方便，所以在設計具有復雜算法和控制邏輯的系統時，往往需要RISC和FPGA結合使用。這樣，電路設計的難度也就相應地增加。
RISC處理器與FPGA集成，減小了硬件電路的復雜性和體積，降低了功耗，提高了可靠性。
FPGA技術的不斷發展和創新使RISC處理器與FPGA集成，從而大大減小了硬件電路復雜性和體積，同時也降低了功耗，提高了系統可靠性，兩種系統的融合與優化成為新一代FPGA的發展趨勢。
2010年，FPGA廠商Xilinx和Altera先后聯手英國ARM公司瞄準下一代消費電子、汽車及工業電子應用領域，推出了各自的FPGA內嵌ARM硬核嵌入式處理器架構。與傳統嵌入式微處理器概念不同，基于ARM的FPGA單片系統通過內部高速總線有效的提升系統間信號傳遞的速度與穩定性，擺脫了PCB布線線寬對信號帶寬的限制。在降低PCB布局布線復雜程度的同時，極大程度地縮小了芯片尺寸。作為高性能、低成本協處理器的最佳選擇，FPGA為處理器提供了硬件加速的空間。同時，FPGA龐大的可編程邏輯資源與靈活的可重配置能力使系統級芯片可以在內部進行軟、硬件升級，解決了由升級系統功能帶來的更換外部設備帶來的成本問題。
作為邁入嵌入式系統領域的第一步，Altera和Xilinx(賽靈思)都成功地將片上系統硬核融入可編程邏輯。其中Xilinx僅與ARM合作，而Altera則提供更多嵌入式硬核的種類。然而兩種系統的組合均可以根據實際應用需求進行優化與裁剪。Altera和Xilinx在2011年提出了以ARM為核心的可擴展式處理器平臺。其中可編程邏輯僅作為可訪問硬件資源被集成在ARM系統中。較以往的ARM處理器，這種可拓展式的嵌入式平臺具有動態配置可編程邏輯的功能，可在需要時提升處理器速度，擴展處理器緩存容量。在FPGA與ARM系統接口方面，賽靈思提出的帶有可編程邏輯的ARM系統解決了將FPGA嵌入ARM核方案中遇到的帶寬問題。
兩種高集成度芯片的融合將對已有的基于ARM和FPGA嵌入式系統重新定義。
用于視頻監控領域的基于ARM的FPGA能夠進行高級決策與控制處理，并管理復雜的控制系統結構和多個并行數據接入，同時進行高性能低延遲的信號處理，以通過分布式/遠程智能視頻系統對各種行為進行監控、分析和比較，并做出正確的行為決策。用于汽車電子領域的ARM嵌入式系統能夠方便的連接到最新傳感器技術，通過可編程邏輯的高性能并行處理能力處理多個數字信號輸入(視頻、雷達、紅外等)，并能快速將數據傳輸給ARM處理系統進行分析、比較，然后做出反應，并在汽車電子系統框架中進行通信。另外，用于通信領域的FPGA芯片內部集成了高頻無線收發模塊。該類型FPGA與ARM的結合將給軟件無線電提供片上系統的可能，使得無線電基站設計建設向低成本、低功耗和小型化發展。用于信號處理和工業控制領域的FPGA芯片通常不集成模數/數模轉換功能。
然而在系統原型驗證過程中，高速模數轉換器的電路板設計一直是影響信號處理算法效率的首要因素。利用ARM系統內部硬件資源實現具有高可靠性的片內信號離散化過程是縮短驗證周期的有力保障。用于智能移動終端領域的FPGA由于其強大的并行處理能力常用作協處理器，而ARM出色的圖像處理性能已經顛覆了智能手機、平板電腦等領域。將這兩種高集成度的芯片融合成為單芯片片上系統，將對已有的基于ARM和FPGA嵌入式系統重新定義。由此可見，FPGA與ARM的結合實現了各自應用領域中所需功能的互補。
ARM處理器與FPGA可編程邏輯相結合，提供了巨大的串行和并行處理能力，發揮了FPGA邏輯控制對大量數據進行高速處理的優勢以及ARM軟件編程靈活的特點。這不僅簡化了ARM與FPGA之間的通訊，也使片外擴展存儲器以及與外設通訊變得相對簡單;同時通過在FPGA中嵌入各種IP軟核和用戶控制邏輯/復雜算法控制邏輯以實現各種接口和控制任務。基于ARM的FPGA能夠對邏輯資源進行動態配置，實現時間的時分復用，靈活快速地改變系統功能，節省邏輯資源，能夠滿足大規模應用的需求，是未來FPGA重點發展的領域之一。
