當MCU遇上FPGA會碰撞出怎樣的火花

上海潤欣科技股份有限公司創(chuàng)研社

MCU是Microcontroller的縮寫，中文翻譯是微控制器，可以簡單理解為集成在單一芯片上的微型計算機，它有運算器、控制器、存儲器、總線及其他外設，采用存儲程序執(zhí)行的方式，對MCU的編程就是對其中的ROM寫入程序，系統(tǒng)上電后ROM中的程序會像計算機內存中的程序一樣得到逐條地執(zhí)行。MCU相當于一個微型的計算機芯片，因此，也有地方把MCU稱為單片機。MCU用途比較廣，幾乎所有電子產(chǎn)品都可以找到MCU的身影。

FPGA是Field Programmable Gate Array的縮寫，中文翻譯為現(xiàn)場可編程門陣列，它是在硅片上預先設計實現(xiàn)的具有可編程特性的集成電路，它能夠按照設計人員的需求配置為指定的電路結構，讓客戶不必依賴由芯片制造商設計和制造的 ASIC 芯片。廣泛應用在ASIC原型驗證、網(wǎng)絡通信、汽車電子、工業(yè)控制、航空航天、視頻監(jiān)控、數(shù)據(jù)中心等領域。

從以上描述來看，MCU和FPGA兩者之間的差異還是很大的。

1、結構上的區(qū)別

MCU是一種微處理器，類似于電腦CPU，通常采用哈佛總線結構，或者馮諾依曼結構，對單片機的編程很大程度上要考慮到它的內核架構（比如ARM內核）和各個寄存器的作用。FPGA的結構是基于查找表（LUT）的結構，LUT本質上就是一個RAM，F(xiàn)PGA中多使用4輸入的LUT，所以每一個LUT可以看成一個有4位地址線的RAM。當用戶通過原理圖或HDL語言描述了一個邏輯電路以后，F(xiàn)PGA開發(fā)EDA軟件會自動計算邏輯電路的所有可能結果，并把真值表（即結果）事先寫入RAM，這樣，每輸入一個信號進行邏輯運算就等于輸入一個地址進行查表，找出地址對應的內容，然后輸出即可。FPGA可以看作是純粹的數(shù)字電路，其程序不用考慮芯片的結構，自由度非常大。

2、代碼的執(zhí)行方式上的區(qū)別

MCU無論是哈佛總線結構或者馮諾依曼結構均為取指到執(zhí)行，指令是順序執(zhí)行的（即使是中斷/異常，其發(fā)生后的中斷服務程序也是順序執(zhí)行的）；而FPGA是基于邏輯門和觸發(fā)器的，它是并行執(zhí)行方式，沒有取指到執(zhí)行這種操作。簡單來說，就是通過燒寫文件去配置查找表的內容，從而在相同的電路情況下實現(xiàn)了不同的邏輯功能，數(shù)字電路中所有邏輯門和觸發(fā)器均可以實現(xiàn)，它適合真正意義上的并行任務處理。FPGA程序在編譯后實際上是轉換為內部的連線表，相當于FPGA內部提供了大量的與非門、或非門、觸發(fā)器等基本數(shù)字邏輯器件，編程決定了有多少器件被使用以及它們之間的連接方式。通過編程，用戶可對FPGA內部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置，以實現(xiàn)用戶的邏輯。它還具有靜態(tài)可重復編程和動態(tài)在系統(tǒng)重新配置的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改。只要FPGA規(guī)模夠大，這些數(shù)字器件理論上能形成一切數(shù)字系統(tǒng)，包括MCU，甚至CPU。因FPGA是純數(shù)字電路，在抗干擾和速度性能上有很大優(yōu)勢。

既然MCU和FPGA有如此大的差異，那么有沒有一些應用需要同時使用到MCU和FPGA呢?答案是肯定的。比如，有的應用同時需要有靈活的控制和外設接口（比如USB接口等），同時需要支持高速并行運算，如FFT等，那么就要考慮使用MCU+FPGA的系統(tǒng)架構，F(xiàn)PGA適合并行處理，性能可以比同樣主頻的MCU高出上百倍，一般MCU+FPGA異構架構都是把密集運算交FPGA，而MCU處理邏輯復雜的業(yè)務。這種MCU+FPGA系統(tǒng)往往要求開發(fā)人員不僅要熟悉MCU軟硬件開發(fā)，也需要熟悉FPGA的程序設計，更為關鍵的是能夠設計MCU與FPGA之間的數(shù)據(jù)交互模式，常見方式有并行總線方式，實現(xiàn)MCU與FPGA之間的通信，或者通過MCU對FPGA在線進行配置。典型的MCU+FPGA系統(tǒng)的產(chǎn)品案例，如下圖1：

圖1 MCU+FPGA架構的產(chǎn)品案例

針對上述這樣的產(chǎn)品應用中同時需要使用MCU和FPGA的情形，今天就來詳細介紹我們的主角，它就是來自國產(chǎn)半導體廠商安路科技“小而美”的MCU+FPGA Soc – ELF2系列。ELF2內部包含了FPGA資源，并且內嵌了一個ARM Cortex-M3硬核IP及豐富的外設資源。

FPGA資源包含LUT4/5混合邏輯架構，分布式RAM支持，16路全局時鐘，最大達670Kbits BRAM，15個18*18 DSP，LUT規(guī)模高達4480。如下圖2：

圖2 ELF2 Soc FPGA基本特性

Cortex-M3 MCU內核最高主頻125MHz，4Mbit SPI Flash，48KB片上SRAM，QSPI接口支持內置/外置SPI Flash操作，集成Timer，WDT，DMA，UART，SPI，I2C，ADC，RTC等外設。MCU特性如下：

ELF2M45 Soc資源及其封裝：

安路科技ELF2 Soc系統(tǒng)框圖，如下圖3：

圖3 ELF2 Soc系統(tǒng)框圖

根據(jù)LUT規(guī)模大小和RAM資源大小不同，ELF2系列有不同的型號，ELF2 Soc選型表如下表1所示：

表1 ELF2 Soc選型表

ELF2的封裝形式也很豐富，一顆芯片可以實現(xiàn)由MCU和FPGA兩顆芯片實現(xiàn)的功能，大大簡化了系統(tǒng)設計，還節(jié)省了PCB面積。EFL2封裝形式如下表2所示：

表2 ELF2的封裝形式

ELF2 Soc內部的MCU與FPGA有4種數(shù)據(jù)交互方式，用戶可以靈活選擇其中任何一種，如下圖4所示：

1、 AHB Slave

2、 共享SRAM(SRAM：32KByte)

3、 高16個GPIO

4、 16位用戶寄存器(MCU->FPGA)

圖4 ELF2 Soc MCU與FPGA交互方式

ELF2 Soc軟件開發(fā)需要同時使用到安路科技自主開發(fā)的TD EDA軟件和ARM公司的Keil MDK軟件，安路科技提供大量的Demo演示示例程序供客戶參考和學習。ELF2 Soc軟件開發(fā)流程如下圖5所示：

圖5 ELF2 Soc軟件開發(fā)流程

TD EDA軟件和ARM的Keil MDK軟件界面如下圖6所示：

圖6 TD EDA軟件和ARM的Keil MDK軟件界面

為了方便用戶評估和學習，針對ELF2 Soc系列，安路科技特別推出了專用的開發(fā)板，如下圖7所示：

圖7 ELF2 Soc開發(fā)板

最后，我想談談關于國產(chǎn)FPGA替代的觀點。

全球 FPGA 市場在 5G 和 AI 兩大驅動因子下未來預計享有穩(wěn)健增長，而目前國內 100 億人民幣市場中，國產(chǎn)廠商占比僅 4%，國產(chǎn)率極低，市場空間和潛力巨大；疊加中美貿(mào)易戰(zhàn)的因素，終端制造業(yè)特別是各個行業(yè)的頭部客戶正在尋求國產(chǎn)替代，避免全盤使用美國公司生產(chǎn)的芯片，國產(chǎn)替代進程有明顯加速的趨勢。FPGA行業(yè)技術門檻較高，產(chǎn)業(yè)比較集中，國產(chǎn)廠商替代增速有望顯著高于行業(yè)平均。國外三大FPGA廠家分別是Xilinx，Intel（收購原Altera）及Lattice，國內 FPGA 廠商主要有 8 家：安路科技、紫光同創(chuàng)、國微電子、成都華微電子、智多晶、廣州高云半導體、上海復旦微電子和京微齊力。國產(chǎn)FPGA廠商中，安路科技的FPGA產(chǎn)品有三大系列，分別是高端PHOENIX（鳳凰系列）、中端EAGLE（獵鷹系列）和低端ELF（精靈系列），數(shù)十款芯片。產(chǎn)品在核心架構、軟件算法和系統(tǒng)集成等方面擁有多項技術專利。值得一提的是，在EDA軟件能力方面，國內FPGA廠商目前只有兩家具有商用軟件全流程技術，安路科技就是其中一家，自主開發(fā)的全流程TD軟件系統(tǒng)和硬件芯片完美地結合在一起，提供了用戶從前端綜合到位流生成的完全開發(fā)平臺，而其他廠商都需要外購邏輯綜合工具。安路科技FPGA芯片已經(jīng)成功應用到通信設備、工業(yè)控制、消費電子的部分領域。安路科技是國產(chǎn)FPGA廠商中綜合實力最強，最具競爭力的品牌之一，有望在國產(chǎn)FPGA替代及新市場開拓中繼續(xù)獲得越來越大的市場份額和高速的業(yè)績增長。

由此可見，國產(chǎn)替代疊加行業(yè)增長及中美貿(mào)易戰(zhàn)等因素，國產(chǎn)FPGA廠商將進入增長快車道。潤欣科技作為安路科技的合作伙伴，如您有產(chǎn)品應用需要用到FPGA，不限于MCU+FPGA異構架構的產(chǎn)品，都可以與我們潤欣科技取得聯(lián)系，我們將竭誠為您服務，協(xié)助您加速產(chǎn)品上市時間，提升產(chǎn)品性價比。