解讀Microchip Technology的FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

作者：Clive "Max" Maxfield

編者按：

最佳處理解決方案常常是由RISC、CISC、圖形處理器與FPGA的組合提供，或由FPGA單獨(dú)提供，或以硬處理器內(nèi)核作為部分結(jié)構(gòu)的FPGA提供。然而，許多設(shè)計(jì)人員不熟悉FPGA的功能、其發(fā)展脈絡(luò)以及如何使用 FPGA。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 (FPGA) 具有諸多特性，無(wú)論是單獨(dú)使用，抑或采用多樣化架構(gòu)，皆可作為寶貴的計(jì)算資產(chǎn)；但是許多設(shè)計(jì)人員并不熟悉FPGA，也不清楚如何將這類器件整合到設(shè)計(jì)中。

解決辦法之一是深入研究主要供應(yīng)商提供的FPGA架構(gòu)及相關(guān)工具。本文將介紹Microchip Technology的產(chǎn)品系列。

高級(jí)FPGA選型概覽

市場(chǎng)上有許多不同類型的FPGA，每種類型都有不同的功能和特性組合?？删幊探Y(jié)構(gòu)是所有FPGA的核心，它以可編程邏輯塊陣列的形式呈現(xiàn)，也稱為邏輯元件 (LE)（圖1a）。FPGA結(jié)構(gòu)可進(jìn)一步擴(kuò)展，以包括SRAM塊（稱為塊RAM (BRAM)）、鎖相環(huán) (PLL) 和時(shí)鐘管理器之類的東西（圖1b）。此外，還可以添加數(shù)字信號(hào)處理 (DSP) 塊（稱為DSP切片）和高速串行器/解串器 (SERDES)（圖1c）。

圖1：最簡(jiǎn)單的FPGA僅包含可編程結(jié)構(gòu)和可配置通用IO (GPIO) (a)；不同架構(gòu)是在此基本結(jié)構(gòu)上增加其他元件而形成：SRAM塊、PLL和時(shí)鐘管理器 (b)；DSP塊和SERDES接口 (c)；以及硬處理器內(nèi)核和外設(shè) (d)。（圖片來(lái)源：Max Maxfield）

外設(shè)接口功能（如CAN、I2C、SPI、UART和USB）可以作為可編程結(jié)構(gòu)中的軟內(nèi)核來(lái)實(shí)現(xiàn)，但許多FPGA將其作為硬內(nèi)核在硅片中實(shí)現(xiàn)。同樣，微處理器也可以實(shí)現(xiàn)為可編程結(jié)構(gòu)中的軟內(nèi)核，或作為硬內(nèi)核在硅片中實(shí)現(xiàn)（圖1d）。具有硬處理器內(nèi)核的FPGA稱為片上系統(tǒng) (SoC) FPGA。不同F(xiàn)PGA針對(duì)不同的市場(chǎng)和應(yīng)用提供不同的功能、特性和容量集合。

FPGA供應(yīng)商有很多，包括Altera（被Intel收購(gòu)）、Atmel（被Microchip Technology收購(gòu)）、Lattice Semiconductor、Microsemi（也被Microchip Technology收購(gòu)）和Xilinx。

所有這些供應(yīng)商都提供多個(gè)FPGA系列；有的提供SoC FPGA，有的則針對(duì)航天等高輻射環(huán)境提供耐輻射器件。由于產(chǎn)品系列眾多，每個(gè)系列提供不同的資源，因此為眼前的任務(wù)選擇最佳器件可能很棘手。

Microchip Technology的FPGA概覽

Microchip Technology的FPGA產(chǎn)品范圍覆蓋中低端，以具有優(yōu)異可靠性的低功耗、高安全性器件為主。Microchip的FPGA廣泛部署于有線和無(wú)線通信、國(guó)防和航空、工業(yè)嵌入式應(yīng)用，擁有強(qiáng)大的DSP和存儲(chǔ)器資源，并在硬件加速、人工智能、圖像處理、邊緣計(jì)算等應(yīng)用中展示出了一定價(jià)值。

Microchip推出了三個(gè)主要FPGA系列：

? IGLOO?2 FPGA：具有大量資源的低密度器件
? SmartFusion?2 SoC FPGA：具有大量資源和32位硬處理器內(nèi)核的低密度器件
? PolarFire? FPGA 和 SoC FPGA：成本經(jīng)過(guò)優(yōu)化的高性能器件，并采用28納米 (nm) 工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)

所有FPGA都有配置單元，它們決定了每個(gè)可編程邏輯塊的功能，以及邏輯塊彼此之間和邏輯塊與外部的連接方式。這些單元還可用于配置GPIO的接口標(biāo)準(zhǔn)、輸入阻抗、輸出壓擺率等。

有些FPGA使用基于SRAM的配置單元，但這些是易失性存儲(chǔ)器，當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，其內(nèi)容會(huì)丟失。而且，當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，必須從外部來(lái)源（通常是閃存器件）加載配置數(shù)據(jù)。這些FPGA需要花費(fèi)非常長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)完成上電和使用前的準(zhǔn)備工作。

有些FPGA使用片上閃存來(lái)存儲(chǔ)配置數(shù)據(jù)，但仍有基于SRAM的配置單元。在這種情況下，當(dāng)上電時(shí)，片上控制器將配置數(shù)據(jù)從閃存配置存儲(chǔ)器復(fù)制到SRAM配置單元。這些FPGA的上電速度比純SRAM產(chǎn)品要快。

Microchip的IGLOO2 FPGA和SmartFusion2 SoC FPGA采用不同的機(jī)制，片上配置存儲(chǔ)器和片上配置單元均采用閃存技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在PolarFire器件中，配置單元基于硅氧化氮氧化硅 (SONOS) 非易失性存儲(chǔ)器 (NVM) 技術(shù)，可以將其視為“類似閃存，但更好”。

由于配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在非易失性閃存（或SONOS）單元中，因此Microchip的FPGA和SoC FPGA可以“即時(shí)啟動(dòng)”。也就是說(shuō)，它們的上電速度比任何其他類型的FPGA都要快。這些器件也包含閃存配置存儲(chǔ)器的原因是，在將新配置加載到此配置中的同時(shí)，F(xiàn)PGA可以使用其配置單元中的現(xiàn)有配置繼續(xù)運(yùn)行。一旦新配置下載完成并得到了驗(yàn)證（配置可以加密并附帶循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC)），便可將器件置于安全狀態(tài)，同時(shí)使用配置存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的新配置覆蓋配置單元中存儲(chǔ)的原始配置。

傳統(tǒng)器件：IGLOO2 FPGA

IGLOO2是出色的綜合型中低端FPGA。許多設(shè)計(jì)人員認(rèn)為這些器件是“傳統(tǒng)”FPGA器件。這些閃存FPGA器件非常適合執(zhí)行通用功能，例如千兆位以太網(wǎng)或雙PCI Express控制平面、橋接功能、輸入/輸出 (I/O) 擴(kuò)展和轉(zhuǎn)換、視頻和圖像處理、系統(tǒng)管理以及安全連接。應(yīng)用范圍非常廣泛，包括通信、工業(yè)、醫(yī)療、國(guó)防和航空。

圖2：IGLOO2 FPGA非常適合執(zhí)行通用功能，例如千兆位以太網(wǎng)或雙PCI Express控制平面、橋接功能、I/O擴(kuò)展和轉(zhuǎn)換、視頻和圖像處理、系統(tǒng)管理以及安全連接。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

IGLOO2 FPGA提供5,000至150,000個(gè)LE（邏輯單元），具有高性能存儲(chǔ)子系統(tǒng)、高達(dá)512KB 的嵌入式閃存、2 x 32KB的嵌入式靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 (SRAM)、兩個(gè)直接存儲(chǔ)器訪問(wèn) (DMA) 引擎以及兩個(gè)雙倍數(shù)據(jù)速率 (DDR) 控制器。這些器件還有多達(dá)16個(gè)收發(fā)器通道、集成DSP處理器塊和抗/耐單粒子翻轉(zhuǎn) (SEU) 的存儲(chǔ)器。為了安全起見(jiàn)，器件進(jìn)行了差分功率分析 (DPA) 加固，并使用AES256和SHA256加密以及按需NVM數(shù)據(jù)完整性檢查。

IGLOO2器件的典型例子是M2GL025-FGG484I，它有27,696個(gè)LE、1,130,496位RAM和267 個(gè)I/O。為使設(shè)計(jì)人員能夠研究和試驗(yàn)IGLOO2 FPGA系列的特性，Microchip還推出了相應(yīng)的IGLOO2評(píng)估套件M2GL-EVAL-KIT（圖3）。

圖3：M2GL-EVAL-KIT是用于IGLOO2的評(píng)估套件，功能集成度高，具有低功耗、高可靠性、高級(jí)安全性等特性。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

M2GL-EVAL-KIT有助于輕松開(kāi)發(fā)嵌入式應(yīng)用，涉及電機(jī)控制、系統(tǒng)管理、工業(yè)自動(dòng)化和高速串行I/O應(yīng)用、PCI Express和千兆位以太網(wǎng)。該套件具有很高的功能集成度，并提供低功耗、高可靠性、高級(jí)安全性等特性。該板也采用小巧尺寸、兼容PCIe的結(jié)構(gòu)，開(kāi)發(fā)人員利用任何帶有PCIe槽的臺(tái)式PC或筆記本電腦即可進(jìn)行原型設(shè)計(jì)。

入門(mén)級(jí)SoC：SmartFusion2 SoC FPGA

SmartFusion2 SoC FPGA基于IGLOO2器件的傳統(tǒng)可編程結(jié)構(gòu)，并增加了32位硬處理器核。由于該處理器是Arm?Cortex?系列的主打產(chǎn)品，因此SmartFusion2系列為進(jìn)入SoC FPGA世界提供了一個(gè)很好的切入點(diǎn)。

這些SoC FPGA提供5,000至150,000個(gè)LE和一個(gè)166兆赫茲 (MHz) Arm Cortex-M3處理器，并且包括嵌入式跟蹤宏單元 (ETM) 和指令緩存并帶有片上eSRAM與嵌入式NVM (eNVM)；還包括完整的微控制器子系統(tǒng)，并且配有CAN、TSE、USB等豐富的外設(shè)。

圖4：SmartFusion2 SoC FPGA提供5,000至150,000個(gè)LE和一個(gè)166MHz Arm Cortex-M3處理器，并且包括ETM和指令緩存并帶有片上eSRAM與eNVM；還包括完整的微控制器子系統(tǒng)，并且配有CAN、TSE、USB等豐富的外設(shè)。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

這些閃存SoC FPGA器件非常適合執(zhí)行通用功能，例如千兆位以太網(wǎng)或雙PCI Express控制平面、橋接功能、I/O擴(kuò)展和轉(zhuǎn)換、視頻和圖像處理、系統(tǒng)管理以及安全連接。應(yīng)用范圍同樣很廣，包括通信、工業(yè)、醫(yī)療、國(guó)防和航空。

SmartFusion2器件的典型例子是M2S025-FCSG325I，它有25,000個(gè)LE、256KB閃存、64KB RAM和一個(gè)166MHz 32位Arm Cortex-M3處理器子系統(tǒng)。為使設(shè)計(jì)人員能夠研究和試驗(yàn)SmartFusion2 SoC FPGA系列的特性，Microchip還推出了相應(yīng)的SmartFusion2創(chuàng)客開(kāi)發(fā)板M2S010-MKR-KIT（圖5）。

圖5：SmartFusion2創(chuàng)客開(kāi)發(fā)板是用于SmartFusion2 SoC FPGA的低成本評(píng)估套件，它將Arm Cortex-M3處理器與基于閃存的FPGA結(jié)構(gòu)結(jié)合在一個(gè)芯片上，另有許多由SoC用戶慣常使用的外設(shè)，例如RAM和DSP塊。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

低成本SmartFusion2創(chuàng)客開(kāi)發(fā)板由Digi-Key Electronics獨(dú)家銷售，為設(shè)計(jì)人員使用SmartFusion2系列提供了便利。這一特別的設(shè)備提供了一個(gè)基于閃存的FPGA架構(gòu)，具有12,000個(gè)LE、一個(gè)32位166MHz Arm Cortex-M3處理器、DSP塊、SRAM、eNVM和GPIO接口，所有元件全都集成在單個(gè)芯片上。

SmartFusion2創(chuàng)客開(kāi)發(fā)板附加了以太網(wǎng)接口、環(huán)境光傳感器、SPI閃存、八個(gè)用戶LED和兩個(gè)用戶按鈕。該板還有兩個(gè)無(wú)載但已布局好的連接，支持ESP32和ESP8266Wi-Fi/藍(lán)牙模塊（不包括在內(nèi)）。它支持通過(guò)USB端口進(jìn)行JTAG編程、UART通信和為電路板供電。此外，該板還有SPI閃存、50MHz時(shí)鐘源和Microchip的VSC8541物理層 (PHY)，后者支持100Mbps或1Gbps以太網(wǎng)。

高性價(jià)比器件：PolarFire FPGA和SoC FPGA

PolarFire FPGA是成本經(jīng)過(guò)優(yōu)化且采用28nm工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高性能器件。這些器件提供中等密度，但功耗最低，并具有高度的安全性和可靠性。

該產(chǎn)品系列涵蓋100,000到500,000個(gè)LE，具有12.7Gb收發(fā)器，設(shè)計(jì)功耗最多比同類中端FPGA低50%。這些器件非常適合有線接入網(wǎng)絡(luò)和蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施、國(guó)防和商業(yè)航空航天市場(chǎng)以及工業(yè)自動(dòng)化和物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)中的廣泛應(yīng)用。

圖6：PolarFire FPGA具有100,000到500,000個(gè)LE和12.7Gb收發(fā)器，設(shè)計(jì)功耗最多比同類中端FPGA低50%。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

PolarFire FPGA的總功耗比同類FPGA降低多達(dá)50%的主要原因是，片上配置存儲(chǔ)器和片上配置單元均采用NVM技術(shù)。這使得配置單元之間的漏電流非常低。另外，這也意味著這些器件在上電時(shí)也能真正地“即時(shí)啟動(dòng)”，從而不會(huì)產(chǎn)生浪涌電流，配置電流也為零。

網(wǎng)絡(luò)安全是網(wǎng)絡(luò)邊緣互連器件的首要考慮因素，因此對(duì)于開(kāi)發(fā)人員而言，僅滿足設(shè)計(jì)的功能要求是不夠的，還要確保安全。安全性始于芯片制造，并一直持續(xù)到系統(tǒng)部署和運(yùn)行。Microchip推出的PolarFire FPGA是業(yè)界最先進(jìn)的安全可編程FPGA。

許多針對(duì)復(fù)雜電子設(shè)備的應(yīng)用在設(shè)計(jì)中都有一定程度的安全要求。PolarFire FPGA專為高可靠性、高可用性的安全和任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，適用于工業(yè)、航空、軍事、通信等應(yīng)用。PolarFire 之所以適合這些應(yīng)用，是因?yàn)榫哂腥缦绿匦裕?br />
? 零失效率 (FIT) FPGA配置
? 抗SEU存儲(chǔ)器
? 具有單錯(cuò)誤糾正、雙錯(cuò)誤檢測(cè) (SECDED) 功能的存儲(chǔ)控制器
? 內(nèi)置自檢
? 無(wú)需外部配置器件

PolarFire器件的典型例子是MPF100T-FCSG325I，它有109,000個(gè)LE、7,782,400位RAM和170個(gè)I/O。為使設(shè)計(jì)人員能夠研究和試驗(yàn)PolarFire FPGA系列的特性，Microchip還推出了相應(yīng)的PolarFire FPGA評(píng)估套件MPF300-EVAL-KIT（圖7）。

圖7：為使設(shè)計(jì)人員能夠研究和試驗(yàn)PolarFire FPGA系列的特性，Microchip還推出了相應(yīng)的MPF300-EVAL-KIT FPGA評(píng)估套件。（圖片來(lái)源：Microchip Technology）

MPF300-EVAL-KIT可針對(duì)各類應(yīng)用提供高性能評(píng)估。它非常適合用于高速收發(fā)器評(píng)估、10Gb以太網(wǎng)、IEEE1588、JESD204B、SyncE、CPRI以及其他應(yīng)用。套件連接包括高引腳數(shù) (HPC) FPGA夾層卡 (FMC)、大量SMA、PCIe、雙千兆位以太網(wǎng)RJ45、SFP+和USB。PolarFire FPGA具有300,000個(gè)LE、DDR4、DDR3和SPI閃存，可用于開(kāi)發(fā)廣泛的高性能設(shè)計(jì)。

PolarFire產(chǎn)品線仍在進(jìn)一步發(fā)展。在撰寫(xiě)本文時(shí)，Microchip Technology披露了有關(guān)即將推出的PolarFire SoC FPGA系列的詳細(xì)信息。該系列將擁有經(jīng)過(guò)強(qiáng)化且支持Linux、基于開(kāi)源64位RISC-V的實(shí)時(shí)微處理器子系統(tǒng)。

使用Microchip Technology的FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

最常用的FPGA開(kāi)發(fā)技術(shù)之一是語(yǔ)言驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) (LDD)。這涉及使用Verilog、VHDL或SystemVerilog等硬件描述語(yǔ)言 (HDL)，在抽象級(jí)別（即寄存器傳送級(jí) (RTL)）上捕獲設(shè)計(jì)意圖。通過(guò)邏輯仿真進(jìn)行驗(yàn)證之后，該表達(dá)式將連同目標(biāo)FPGA類型、引腳分配和時(shí)序約束（例如最大輸入到輸出延遲）等其他信息一并傳輸至合成引擎。合成引擎輸出配置文件，對(duì)于Microchip FPGA或SoC FPGA，配置文件直接加載到FPGA中，而對(duì)基于SRAM的器件而言，配置文件則是加載到外部存儲(chǔ)器件中（圖6）。

圖8：通過(guò)邏輯仿真進(jìn)行驗(yàn)證之后，RTL設(shè)計(jì)描述將與FPGA類型、引腳分配和時(shí)序約束等其他設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)一并傳輸至合成引擎。合成引擎輸出的配置文件直接加載到FPGA中。（圖片來(lái)源：Max Maxfield）

Microchip的Libero SoC設(shè)計(jì)套件屬于此類工具。該軟件提供了一套全面的易學(xué)易用的集成開(kāi)發(fā)工具，支持使用Microchip的IGLOO2和PolarFire FPGA以及SmartFusion2和PolarFire SoC FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)。該套件將行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Synopsys Synplify Pro綜合、Mentor Graphics的ModelSim仿真與約束管理、編程和調(diào)試工具、安全生產(chǎn)編程支持集成在一起。

除了使用Verilog、VHDL或SystemVerilog以文本格式捕獲設(shè)計(jì)之外，該套件還包含圖形輸入功能，可以將系統(tǒng)定義為連接塊的層次結(jié)構(gòu)，較低級(jí)的塊以用戶定義的HDL或第三方IP表示。

另外，還有System Builder，它是一種易于使用的設(shè)計(jì)工具，可引導(dǎo)用戶解決一系列高級(jí)問(wèn)題來(lái)定義目標(biāo)系統(tǒng)。System Builder首先詢問(wèn)有關(guān)目標(biāo)系統(tǒng)架構(gòu)的問(wèn)題，然后添加需要在可編程結(jié)構(gòu)中作為軟內(nèi)核實(shí)現(xiàn)的所有其他外設(shè)，最后創(chuàng)建一個(gè)“設(shè)計(jì)即正確”的完整系統(tǒng)。

最后但并非最不重要的一點(diǎn)是SoftConsole集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE)；對(duì)于Microchip的FPGA和SoC FPGA中實(shí)例化的32位軟處理器，以及SmartFusion2和PolarFire SoC FPGA中的32位和64位硬處理器內(nèi)核來(lái)說(shuō)，該IDE有利于快速開(kāi)發(fā)裸機(jī)和基于RTOS的C/C++軟件。

總結(jié)

最佳處理設(shè)計(jì)解決方案常常是由處理器與FPGA的組合提供，或由FPGA單獨(dú)提供，或以硬處理器內(nèi)核作為部分結(jié)構(gòu)的FPGA提供。作為一項(xiàng)技術(shù)，F(xiàn)PGA多年來(lái)發(fā)展迅速，能夠滿足靈活性、處理速度、功耗等多方面的設(shè)計(jì)需求，非常適合智能接口、機(jī)器視覺(jué)和AI等眾多應(yīng)用。

如本文所述，Microchip Technology的FPGA和SoC FPGA產(chǎn)品范圍覆蓋中低端，以具有優(yōu)異可靠性的低功耗、高安全性器件為主。這些FPGA具有強(qiáng)大的信號(hào)處理和存儲(chǔ)器資源，是在通信、工業(yè)、軍事、航空等行業(yè)中開(kāi)發(fā)硬件加速、人工智能、圖像處理、邊緣計(jì)算等應(yīng)用的出色平臺(tái)。

編輯：hfy