基于 ARM微處理器的器件——可擴(kuò)展式處理平臺(tái)

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隨著FPGA器件和工具在十年間日趨成熟，能夠?qū)⒋罅?a target="_blank">嵌入式處理器(DSP、微控制器和微處理器)融入主流可編程邏輯架構(gòu)內(nèi)，越來越多的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員已經(jīng)將他們的技能組合拓展到中間件和軟件開發(fā)工作之外，而且能夠熟練地使用硬件設(shè)計(jì)語(yǔ)言?？鐚W(xué)科技能使得這部分為數(shù)不算多的設(shè)計(jì)人員能夠使用FPGA 來創(chuàng)建高度優(yōu)化、差異化架構(gòu)，這些架構(gòu)具有適當(dāng)?shù)能浻布浔?，能夠達(dá)到出色的系統(tǒng)性能、功能與功耗水平。??

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處理器優(yōu)先

賽靈思準(zhǔn)備采借助其可擴(kuò)展式處理器平臺(tái)推出一款全新的器件。該器件的主要構(gòu)建塊是一個(gè)運(yùn)行在800MHz的32位ARM Cortex-A9處理子系統(tǒng)(如圖所示)。該處理子系統(tǒng)“開箱即用”，具有可啟動(dòng)和可編程特性。該新型器件的其余部分由緊密連接的可編程邏輯擴(kuò)展塊構(gòu)成，允許設(shè)計(jì)人員根據(jù)系統(tǒng)要求對(duì)軟硬件功能進(jìn)行劃分。他們還可以在可編程邏輯擴(kuò)展塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)功能，從而創(chuàng)建專有的高度優(yōu)化的專用片上系統(tǒng)(SoC)。

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賽靈思全球市場(chǎng)營(yíng)銷與業(yè)務(wù)開發(fā)高級(jí)副總裁 Vin Ratford 表示：“對(duì)這個(gè)器件的架構(gòu)，我們動(dòng)了很多心思，作了很多規(guī)劃，并從以前諸如基于PowrPCTM的 Virtex?-II Pro、Virtex-4 和 Virtex-5 FXT FPGA 等各種器件上以及競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的失誤中吸取了不少的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)。所有這些器件毫無例外地采取了以硬件設(shè)計(jì)為中心的系統(tǒng)設(shè)計(jì)觀念，要么就是沒有足夠的處理能力，而我們的可擴(kuò)展式處理平臺(tái)采用以處理器優(yōu)先的方法，這樣軟件設(shè)計(jì)人員可以開箱即用，立即啟動(dòng)開發(fā)工作。如果他們選擇不這樣做的話，他們甚至沒必要使用擴(kuò)展塊?！?/p>

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不過許多由軟/硬件設(shè)計(jì)人員共同組成的設(shè)計(jì)小組對(duì)擴(kuò)展塊表示支持。賽靈思計(jì)劃逐步優(yōu)化使用模式，其最終目的是為軟件開發(fā)人員和系統(tǒng)開發(fā)人員提供一個(gè)環(huán)境，使得在沒有硬件設(shè)計(jì)人員的輔助下，軟件開發(fā)人員也可以對(duì)處理器之外的可編程邏輯擴(kuò)展塊進(jìn)行編程。Ratford 指出，與以往 FPGA 在處理器之前啟動(dòng)的架構(gòu)不同，這款最新的處理器優(yōu)先平臺(tái)非常切合開發(fā)人員構(gòu)建系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)的實(shí)際工作。

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Ranford 表示：“電子系統(tǒng)工程師和軟件工程師在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，一般會(huì)先進(jìn)行軟件開發(fā)，然后確定在硬件中實(shí)施他們需要加速的功能。這樣他們就可以把他們的設(shè)計(jì)和應(yīng)用最終要求的合適的性能、成本和功耗銜接起來。在啟動(dòng)項(xiàng)目的時(shí)候，他們先進(jìn)行概念驗(yàn)證。他們不是很擔(dān)心如何實(shí)現(xiàn)與特定客戶具體要求的對(duì)接，但比較在意怎樣才能最靈活地在硬軟件之間劃分工作。經(jīng)過多次調(diào)整，他們就可以決定把哪些功能交給硬件，哪些功能交給軟件，然后采取步驟進(jìn)行優(yōu)化，使之符合他們的系統(tǒng)要求。我們的器件可以幫助他們比以前更好更快地完成工作?！?/p>

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賽靈思將采用與新一代 FPGA（見側(cè)邊欄）相同的低功耗、高性能 28 nm 工藝技術(shù)來交付該新款可擴(kuò)展式處理器平臺(tái)。

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圖1. 賽靈思可擴(kuò)展式平臺(tái)將 ARM 處理器和可編程元件完美組合在一起

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為何選擇 ARM？

賽靈思選擇與 ARM 結(jié)成合作伙伴的原因在于該公司實(shí)力強(qiáng)大，而且還因其優(yōu)質(zhì)的處理器 IP 和軟件享有極佳的聲譽(yù)。實(shí)際上，ARM 架構(gòu)經(jīng)成為設(shè)計(jì)人員尋求高速度、低功耗微處理器內(nèi)核的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。

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Ranford 表示：“在軟硬件功能、性能、生態(tài)環(huán)境、用戶熟悉程度以及功耗等各個(gè)方面，ARM都可以輕松為這種新型架構(gòu)提供最佳選擇的表現(xiàn)都很不錯(cuò)。當(dāng)功耗不僅成為無線應(yīng)用，而且也成為有線應(yīng)用優(yōu)先考慮的因素時(shí)，在該器件中添加極低功耗處理器，將給用戶帶來令人興奮的可選項(xiàng)數(shù)目，幫助他們實(shí)現(xiàn)最佳系統(tǒng)平衡。他們可以讓硬件擴(kuò)展塊執(zhí)行某些功能，從而增強(qiáng)系統(tǒng)性能。他們還可以開發(fā)出時(shí)而具有驚人表現(xiàn)，時(shí)而只消耗幾毫安電量的系統(tǒng)。

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新架構(gòu)的一項(xiàng)關(guān)鍵特性是接口。賽靈思采用高帶寬接口，將基于處理器的系統(tǒng)、擴(kuò)展塊和共享存儲(chǔ)器連接在一起，從而實(shí)現(xiàn)以ARM處理器為基礎(chǔ)的完整系統(tǒng)與可編程邏輯擴(kuò)展塊之間的互聯(lián)。相比之下，在同一電路印刷板(PCB)上由分立的基于MPU的ASSP芯片和FPGA構(gòu)成的典型系統(tǒng)，一般需要100多個(gè)I/O才能將完美連接在一起。

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此外，在3月發(fā)布的AMBA總線的高級(jí)可擴(kuò)展接口(AXI)第4版中，ARM囊括了專門針對(duì)可編程邏輯使用而優(yōu)化的AXI規(guī)范擴(kuò)展。AXI-4流媒體協(xié)議擴(kuò)展是一種雙向縱橫通信交換機(jī)，能夠充分發(fā)揮豐富的I/O接口優(yōu)勢(shì)，使工程人員能夠利用這款新的賽靈思器件把系統(tǒng)塊間吞吐量提升到全新水平，同時(shí)發(fā)揮IP廠商和客戶在過去20 多年里為ARM ASIC 和ASSP應(yīng)用開發(fā)的大量硬件外設(shè)核心的性能。

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兩部分之間的緊密結(jié)合與集成，再加上新的AXI擴(kuò)展，還意味著如果設(shè)計(jì)小組發(fā)現(xiàn)某個(gè)功能在處理器上運(yùn)行不理想，或者需要加速某段代碼，他們可以針對(duì)這個(gè)功能創(chuàng)建硬件，并使用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)接口將其放入可編程邏輯擴(kuò)展塊中。?

熟悉的軟件編程模型

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在開發(fā)新架構(gòu)時(shí)，賽靈思非常重視目標(biāo)客戶的要求及其工作偏好。

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因?yàn)樾缕骷趶?fù)位時(shí)首先啟動(dòng)處理器系統(tǒng)，因此軟件開發(fā)人員可以與硬件開發(fā)人員并肩協(xié)作，在開箱后可立即對(duì)處理器進(jìn)行編程工作。通過并行實(shí)施這些關(guān)鍵性能，可以大幅縮短開發(fā)周期。

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賽靈思處理器市場(chǎng)營(yíng)銷總監(jiān) Keith DeHaven 表示：“實(shí)際上，有些人買這款產(chǎn)品僅僅是為了用它的處理器系統(tǒng)。但該器件的價(jià)值在于用戶既可以利用其基于ARM的處理器系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)命令、控制與應(yīng)用功能，又可以利用其可編程邏輯來定制、優(yōu)化產(chǎn)品和實(shí)現(xiàn)其差異化?！?/p>

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DeHaven 表示，該處理器系統(tǒng)有一套固定的外設(shè)、開關(guān)及存儲(chǔ)器接口，能夠?yàn)檐浖_發(fā)人員提供一致的可編程環(huán)境。此外，開發(fā)人員可以使用現(xiàn)有的ARM工具和可用硬件(見表1匯總)立即展開工作，一步到位。

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表 1. ARM公司有一個(gè)成熟而穩(wěn)健的操作系統(tǒng)及 OS開發(fā)工具生態(tài)系統(tǒng)。該表列出了ARM Cortex 生態(tài)系統(tǒng)支持的一些操作系統(tǒng)。

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這個(gè)架構(gòu)的真正價(jià)值，在于設(shè)計(jì)小組可以在處理器系統(tǒng)和可編程邏輯擴(kuò)展塊之間交換功能?，F(xiàn)在，不僅是硬件工程師，軟件工程師也能決定器件如何運(yùn)行。舉例來說，處理器系統(tǒng)可以使用擴(kuò)展塊中的數(shù)據(jù)來完成外設(shè)功能，也可以把控制權(quán)委托給擴(kuò)展塊。開發(fā)人員很可能需要運(yùn)行軟硬件聯(lián)合仿真，來觀察給定功能是否在硬件上運(yùn)行速度更快、功耗更小或是成本更低。而另一些開發(fā)人員只是想把不太可能修改的軟件功能卸載到擴(kuò)展塊上，以釋放出更多處理器代碼空間，用于其它命令。

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一旦他們確定哪些功能由硬件負(fù)責(zé)，哪些功能由軟件負(fù)責(zé)，他們就可以讓他們的硬件工程師使用賽靈思ISE設(shè)計(jì)套件，并結(jié)合AMBA-AXI標(biāo)準(zhǔn)接口，在可編程擴(kuò)展塊中實(shí)施這些功能。同時(shí)，在硬件小組對(duì)擴(kuò)展塊進(jìn)行編程的同時(shí)，開發(fā)人員可以繼續(xù)開發(fā)軟件。

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雖然處理器優(yōu)先的架構(gòu)很獨(dú)特，其使用模式也更好地反映了軟件開發(fā)人員的真實(shí)工作，賽靈思計(jì)劃讓這個(gè)流程更為直觀。

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賽靈思及其合作伙伴目前正在開發(fā)一個(gè)通用的標(biāo)準(zhǔn)加速器及外設(shè)(按硬件術(shù)語(yǔ)說，即IP核)綜合套件，以及相關(guān)的驅(qū)動(dòng)程序和API，以便進(jìn)一步幫助軟件開發(fā)人員和系統(tǒng)開發(fā)人員在設(shè)計(jì)中添加功能。其中一些加速器和外設(shè)將在產(chǎn)品發(fā)布時(shí)開發(fā)完畢，這樣用戶就可以集中精力開發(fā)自己的定制IP，以滿足系統(tǒng)需求并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化。

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加速器和外設(shè)的尺寸不一，有設(shè)計(jì)人員可以在擴(kuò)展塊中混合匹配使用的小功能，也有針對(duì)特定設(shè)計(jì)領(lǐng)域(連接、DSP和處理)和垂直市場(chǎng)(汽車、工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療、航空與國(guó)防、有線和無線通信等)的完整擴(kuò)展功能。

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從長(zhǎng)遠(yuǎn)來說，賽靈思正在開發(fā)“C-to-FPGA”編譯器流程，努力為軟件開發(fā)人員和電子系統(tǒng)開發(fā)人員最終提供一種隨時(shí)可以在軟硬件編程環(huán)境中移動(dòng)功能的途徑，便于系統(tǒng)的快速開發(fā)、評(píng)估和優(yōu)化。DeHaven 表示：“我們的想法是使他們賽靈思系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)在 C 語(yǔ)言環(huán)境中進(jìn)行開發(fā)，并迅速在硬件和軟件中看到結(jié)果?！睂?shí)際上，賽靈思一直積極監(jiān)控基準(zhǔn)及分析機(jī)構(gòu)BDTI評(píng)估C級(jí)綜合工具使用模式的調(diào)研結(jié)果。

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雖然軟件開發(fā)人員能夠使用支持ARM Cortex-A9的商業(yè)開發(fā)工具，賽靈思仍計(jì)劃將其工具和最新器件捆綁在一起，幫助開發(fā)人員立即著手工作?；贓clipse的集成開發(fā)環(huán)境、基于GNU的編譯器、調(diào)試器以及驅(qū)動(dòng)程序均將捆綁在工具套件和PCB中。DeHaven 表示：“用戶可以根據(jù)自己的選擇來使用該環(huán)境。他們可以使用支持Cortex-A9和ARM CoreSight調(diào)試接口的行業(yè)工具或賽靈思開發(fā)工具來進(jìn)行開發(fā)?！?/p>

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除了 ARM 原生支持，賽靈思還與主要的第三方解決方案供應(yīng)商密切合作，針對(duì)使用新器件的工程人員，開發(fā)器件專用的軟件包(操作系統(tǒng)和開發(fā)工具)。

賽靈思開發(fā)新架構(gòu)的動(dòng)力，來自客戶對(duì)可擴(kuò)展、靈活、可升級(jí)，能讓他們迅速根據(jù)他們的需要開發(fā)衍生產(chǎn)品的器件的需求?？蓴U(kuò)展式處理平臺(tái)可以使他們產(chǎn)品從采用固定功能ASSP 和 ASIC 的競(jìng)爭(zhēng)系統(tǒng)中脫穎而出。Ratford表示：“我們已經(jīng)向幾位客戶預(yù)先展示了這款器件。他們急于想得到這款器件。我覺得這款器件的市場(chǎng)潛力無法估量?！?/p>

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舉例來說，賽靈思預(yù)計(jì)任何融合智能視頻的垂直市場(chǎng)都可以通過使用這款器件立即獲益。智能視頻需經(jīng)多重處理步驟，比如像素級(jí)預(yù)處理。這個(gè)步驟計(jì)算量大，特別適合運(yùn)用可編程邏輯的并行處理能力。智能視頻還需要元件級(jí)的分析處理，這可以通過將兼容的并行（可編程邏輯）和串行（基于 MPU）處理能力相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，幀級(jí)應(yīng)用處理需要一般由 MPU執(zhí)行的決策、控制和通信處理能力來實(shí)現(xiàn)。

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具體來說，有利可圖的視頻市場(chǎng)包括機(jī)汽車駕駛輔助、消費(fèi)用多檔次多功能打印機(jī)、使用掃描儀的普通嵌入式系統(tǒng)、工業(yè)智能像機(jī)（包括因特網(wǎng)協(xié)議監(jiān)控?cái)z像機(jī)與機(jī)器視覺、DVR、醫(yī)療影像系統(tǒng)、廣播演播室攝像機(jī)和編碼轉(zhuǎn)換器）、以及國(guó)防級(jí)夜視設(shè)備。

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汽車駕駛輔助就是能夠立即從新架構(gòu)中得到好處的智能視頻應(yīng)用之一。這個(gè)領(lǐng)域的主要客戶多年來一直在敦促賽靈思創(chuàng)建基于 ARM 處理器的可擴(kuò)展式平臺(tái)。

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汽車行業(yè)的客戶可以對(duì)器件進(jìn)行編程，以控制和分析環(huán)車身 360 度布置的多個(gè)傳感器提供的數(shù)據(jù)，并且讓每個(gè)傳感器同時(shí)執(zhí)行多項(xiàng)功能。舉例來說，智能控制傳感器可以讓這些傳感器監(jiān)控車道，探測(cè)鄰近車道上突然并線的車輛并讓車輛的速度與前面的車輛同步，探測(cè)行人，監(jiān)測(cè)停放車輛之間的距離以確定準(zhǔn)確的停放位置——所有這些都可以同時(shí)進(jìn)行。這樣的系統(tǒng)在探測(cè)到威脅的時(shí)候可以立即向駕駛員發(fā)出告警。它甚至還可以自動(dòng)讓車輛減速，以避免碰撞。

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　　新器件以處理器為核心，而非以 FPGA 為核心。在許多應(yīng)用中，您希望控制軟件能夠根據(jù)您正在運(yùn)行的軟件來完成 FPGA 的再編程工作，有時(shí)您又需要讓處理器獨(dú)立于 FPGA 架構(gòu)自行運(yùn)行。

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因?yàn)檫@種器件軟硬件都可以編程，一級(jí)廠商可以面向不同的汽車制造商和每個(gè)廠家的不同產(chǎn)品線提供該控制器的衍生產(chǎn)品，而不必更改控制單元的整體配置。如此強(qiáng)大的功能可以為 OEM廠商節(jié)省大量的時(shí)間、工作量和資金。此外，軟硬件編程能力還意味著該器件可以在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維護(hù)或升級(jí)。

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類似的，在工業(yè)控制領(lǐng)域，用戶可以開發(fā)出能夠管理和分析來自一系列傳感器和電機(jī)的數(shù)據(jù)的系統(tǒng)，實(shí)時(shí)地甄別出裝配線上有缺陷的產(chǎn)品、探測(cè)機(jī)械上的裂紋、關(guān)閉過熱或者空載的電機(jī)，從而降低工廠成本、優(yōu)化操作，乃至拯救工人的生命。

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新器件在有線和無線通信市場(chǎng)領(lǐng)域也有著巨大的潛力，特別是在無線 LTE 射頻、基帶和企業(yè)毫微微蜂窩基站，以及有線通信領(lǐng)域的路由器、交換機(jī)、復(fù)用器。