對比ARM、DSP，深入了解FPGA

自1985年首款FPGA誕生以來，F(xiàn)PGA已經(jīng)是一名在電子信息領(lǐng)域征戰(zhàn)了30年的老兵，這名戰(zhàn)功赫赫的老兵如今已經(jīng)正式開赴了一個新的戰(zhàn)場。但是FPGA并不是萬能的。相對于串行結(jié)構(gòu)處理器，其設(shè)計的靈活性是以工作量的增加為代價的。FPGA與ARM、DSP（如下圖所示）的比較如下。



一、從語言本身的差異來看，基于Verilog HDL和VHDL的硬件語言與C/C++相比，在代碼靈活性、開發(fā)效率等方面還有較大差距。通常一段十幾行的C語言代碼使用硬件語言實現(xiàn)后，代碼量會增加到幾十行之多。同時，在進行硬件語言描述時，一個合格的FPGA工程師不僅要實現(xiàn)相應(yīng)的邏輯功能，還要在頭腦里浮現(xiàn)編寫的代碼所生成的邏輯結(jié)構(gòu)，并考慮到門延時對系統(tǒng)時序的影響。這樣才能夠設(shè)計出穩(wěn)定高效的邏輯結(jié)構(gòu)，減少后期時序調(diào)整的工作。

二、從語言本身的差異來看，基于Verilog HDL和VHDL的硬件語言與C/C++相比，在代碼靈活性、開發(fā)效率等方面還有較大差距。通常一段十幾行的C語言代碼使用硬件語言實現(xiàn)后，代碼量會增加到幾十行之多。同時，在進行硬件語言描述時，一個合格的FPGA工程師不僅要實現(xiàn)相應(yīng)的邏輯功能，還要在頭腦里浮現(xiàn)編寫的代碼所生成的邏輯結(jié)構(gòu)，并考慮到門延時對系統(tǒng)時序的影響。這樣才能夠設(shè)計出穩(wěn)定高效的邏輯結(jié)構(gòu)，減少后期時序調(diào)整的工作。

三、從工作頻率來看，ARM、DSP等處理器采用的是成熟的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，具有較好的時序特性，其最高頻率通常為600MHz～1.25GHz。為提高處理能力，TI等芯片廠商采用多核的設(shè)計方式，設(shè)計了具有8核DSP、8核ARM的處理器，每個核心的最大工作頻率可 達1.25GHz，通過設(shè)置可以開啟和關(guān)閉其中的內(nèi)核來靈活地協(xié)調(diào)功耗與處理能力之間的矛盾。目前TI公司正在設(shè)計具有8核ARM+8核DSP的處理器，來滿足高速系統(tǒng)中集中運算的需求。而在FPGA的設(shè)計中，不同的系統(tǒng)具有不同的最高工作頻率，該頻率可以在編譯報告中獲得。對于Altera公司的FPGA，通過TimeQuest工具調(diào)整時序，可以提升設(shè)計工程的最高頻率。一個具有良好設(shè)計的FPGA工程的最高頻率可達150MHz以上。

四、從執(zhí)行方式來看，基于嵌入式平臺的C/C++語言在已有的硬件結(jié)構(gòu)中執(zhí)行，只需正確配置相關(guān)寄存器即可。而使用硬件語言的設(shè)計需自行設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)，在生成結(jié)構(gòu)前還要經(jīng)過前仿真、綜合、布局布線、后仿真等步驟，開發(fā)周期較長。這一情況在較為復(fù)雜的FPGA工程設(shè)計中尤為嚴(yán)重。例如，一個添加了4個DDR2的IP的工程在i5處理器、4G內(nèi)存的計算機上，編譯時間甚至在20min以上。

五、從算法應(yīng)用來看，ARM、DSP等處理器中集成了加法器、乘法器等運算單元，尤其是在DSP中，可以在一個周期內(nèi)進行8×8位甚至16×16位的乘法運算。同時，這些處理器還支持浮點運算能力。而FPGA對這部分運算并不擅長，即使在較為簡單的加法運算中，若進行加法的兩個數(shù)據(jù)具有較高的位寬，由于傳統(tǒng)的加法中的進位方式是串行結(jié)構(gòu)，所以在其生成的結(jié)構(gòu)中會產(chǎn)生較長的門延時，從而會降低時序的余量，甚至?xí)档拖到y(tǒng)編譯后的最高工作頻率。

六、從算法設(shè)計來看，在ARM、DSP等處理器中設(shè)計算法前，需要提前構(gòu)思算法的流程圖，然后進行代碼的編寫。而在FPGA設(shè)計中，主要包含三種設(shè)計方式：面向狀態(tài)的設(shè)計，面向活動的設(shè)計和面向結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

（1）面向狀態(tài)的設(shè)計是以狀態(tài)機為代表的設(shè)計方式，即通過控制信號和時序信號觸發(fā)狀態(tài)機進行狀態(tài)的遷移。狀態(tài)機的設(shè)計是FPGA開發(fā)中必不可少的環(huán)節(jié)，這部分內(nèi)容將 在7.2.2節(jié)中詳細(xì)敘述。

（2）面向活動的設(shè)計是以數(shù)據(jù)流和流程圖為代表的設(shè)計方式。尤其是在傳輸系統(tǒng)、實時算法設(shè)計中，常使用基于數(shù)據(jù)流的設(shè)計方式。常見的數(shù)據(jù)流的操作方式包括數(shù)據(jù)的寄存器同步緩沖、數(shù)據(jù)傳遞、數(shù)據(jù)運算與流水設(shè)計、數(shù)據(jù)的存取等。

（3）面向結(jié)構(gòu)的設(shè)計常用于較大的系統(tǒng)設(shè)計中，用于描述模塊與模塊、單元與單元之間的互聯(lián)關(guān)系，主要包括數(shù)據(jù)信號與控制信號。根據(jù)不同的層次描述，主要可以分為系統(tǒng)級結(jié)構(gòu)描述、寄存器級結(jié)構(gòu)描述、門級結(jié)構(gòu)描述等。




為了解決這些硬件工程師所面臨的問題，Altera Xilinx等FPGA公司不遺余力地對開發(fā)平臺進行了完善，如下以Altera的解決方案為例。

對于第一點提及的設(shè)計語言的問題，Altera推出了Qsys（SOPC）等片上軟核，使工程師在FPGA中同樣可以使用更為靈活的C語言進行編程。Qsys（SOPC）中包含了片內(nèi)、片外存儲器、定時器及各種接口等IP，使工程師可以按需定制自己的片內(nèi)處理器。使用這種方式，在一定程度上緩解了硬件描述語言開發(fā)周期過長的缺點，也成為一種對FPGA系統(tǒng)進行前期功能驗證的有效手段。

對于第二點提及的通用模塊或接口占用開發(fā)周期的問題，Altera和供應(yīng)商設(shè)計了大量具有知識產(chǎn)權(quán)的IP（Intellectual Property，知識產(chǎn)權(quán)），包括運算類、通信類、數(shù)字信號處理類、門類、輸入/輸出類、接口類、JTAG擴展類、存儲類等多種類別。這些IP是經(jīng)過嚴(yán)格測試和優(yōu)化過的，其中部分IP免費，上面提到的SOPC中應(yīng)用的大部分IP都是免費的。

值得注意的是，盡管大部分基本功能的IP可以在不同系列的FPGA間通用，依然有一些IP并不支持所有系列的FPGA，使用這些IP在不同系列的FPGA間進行工程移植時需要注意。所使用的IP是否支持當(dāng)前芯片，可以在Quartus II的MegWizard管理器中查閱，也可以在官網(wǎng)中查閱。Altera支持的所有IP及其適用系列可參考以下網(wǎng)址：http://www. altera.com.cn/products/ip/ip-index.jsp。

對于第三點提到的工作頻率的問題，不同的處理器具有不同的應(yīng)用領(lǐng)域。在高速數(shù)據(jù)處理過程中，ARM、DSP等固然可達到較高的工作頻率，然而相對于FPGA，其高速的優(yōu)勢僅體現(xiàn)在串行結(jié)構(gòu)的算法中。在FPGA的設(shè)計中，可利用其硬件設(shè)計的靈活性，采用并行算法或?qū)⒋兴惴ǜ脑鞛椴⑿兴惴?，然后在FPGA中實現(xiàn)。經(jīng)測試，在工作頻率為1GHz的DSP中（TMS320C6416），對SDRAM中分辨率為2048×2048的圖像進行中值濾波后重新寫入SDRAM，耗時為7s；而在FPGA中，完全可以在圖像輸入時進行實時處理，僅消耗幾個時鐘周期的處理，近似可認(rèn)為0延時—實時。

對于第四點提及的編譯時間過長的問題，Altera致力于開發(fā)新版本的平臺，提升編譯效率的同時，增加了增量編譯的功能。配合區(qū)域鎖定，可以鎖定已編譯過且在后續(xù)修改中沒有改動過的模塊，對這部分模塊不進行重新編譯，從而可減少編譯時間。

對于第五點提及的運算能力的問題，Altera FPGA中內(nèi)嵌了多個DSP塊。每個DSP塊中包含加法器和乘法器結(jié)構(gòu)，根據(jù)系列不同，具有不同的數(shù)據(jù)位寬。多個DSP塊中的加法器和乘法器可以互相拼接，從而支持更高位寬的運算。結(jié)合相關(guān)的運算類IP，可以流水線的形式完成運算，每個周期輸出一次計算結(jié)果。表1.10為Cyclone III系列FPGA的資源列表。可以看到，與DSP相比，Cyclone III的乘法器資源還是比較豐富的，這使得在FPGA內(nèi)部進行并行運算成為可能。





最后，Altera又推出了嵌入了雙核28nm的ARM Cortex-A9的FPGA，同時以足夠的DSP塊和足夠的乘法器資源，完善了FPGA+DSP+ARM架構(gòu)，并以單片SoC FPGA的模式，解決了過往FPGA力所不能及的缺陷，解決了未來多IC集成的前瞻性問題，如圖1.28所示。而這卻僅僅只是一個開始，在未來Altera FPGA的發(fā)展中，更多的以實現(xiàn)FPGA+DSP+ARM為架構(gòu)，并行實現(xiàn)高速運算，解決過去的難題，不斷地突破極限。在未來的數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計中，這必然是一種趨勢。