ARM+FPGA最新重大进展

作者：张国斌
就像行走江湖的武林侠客都梦想有一把神兵利器一样，耕耘于电子产业的工程师们也希望有一种强大器件可以实现自己诸多的设计梦想，现在，这个器件终于要诞生了，近日，赛灵思和ARM联合发布了基于28nm工艺的全新的可扩展式处理平台 (Extensible Processing Platform) 架构，这款基于双核ARM® Cortex－A9 MPCore™ 处理器平台可以让开发人员同时拥有串行和并行处理能力！它可为各种嵌入式系统的开发人员提供强大的系统性能、灵活性和集成度。

“与以往在FPGA中嵌入处理器内核最大的不同是，以往嵌入的内核都是依FPGA为主以处理器为辅，这次是以处理器为主FPGA为辅。”在该平台全球发布会上，赛灵思全球市场营销与业务开发高级副总裁 Vin Ratford 特别强调，“这个平台加电后后先运行的是ARM系统，Cortex™-A9 内核通过ARM和赛灵思联合开发的AMBA AXI-4总线与FPGA通信，由FPGA完成各种处理功能。”如下图所示

图1 可扩展处理平台架构

可扩展处理平台的优势

这样做的好处非常明显－－FPGA实际上变成了ARM处理器的硬件加速器！FPGA成为一个“协处理器”－－由FPGA来分担或加速大量代码或复杂算法的处理工作，从而提高处理器和系统效率。得益于FPGA的硬件处理能力，设计人员通过在 FPGA 架构中执行函数，可将函数性能提升 100 倍！

另外的优势就是通过这样的联手，FPGA开发者可以直接享用ARM生态系统的成果，赛灵思亚太区市场及应用总监张宇清指出：“目前全球嵌入式应用中，基于ARM架构的应用占了70％以上的份额，而且ARM公司在生态系统开发上非常成功，有大量现成的设计可以利用。只要符合ARM AMBA AXI-4总线规则的IP都可以用在这个平台上。 ”

他表示，开发人员可以利用Xilinx Platform Studio (XPS) 工具套件开发并调试器件的可编程逻辑部分，并帮助硬件设计人员创建和实施AMBA® 支持的 IP 模块，从而扩展处理器系统性能，这就是赛灵思所说的“可插接IP (Socketable IP)”，也是推动赛灵思与 ARM 合作定义 AXI4 互联协议 AMBA 4 规范的关键因素。

图2 发布会现场

由于这个平台以ARM处理器为核心，所以这个平台的开发实际上以软件为核心，这样就把FPGA变为一个软件化的产品，开发者不用考虑FPGA的硬件架构就可以完成开发，这种设计方法提供完整的处理器系统，包括高速缓存、存储控制器以及常用的连接和 IO 外设，并能在开机时启动并运行各种不同的操作系统 ，如 Linux、风河系统公司（Wind River） 的 VxWorks、 Micrium 的 uC-OSII 等。

“你可以把它当成一个带有可编程硬件加速器ASSP！”张宇清表示，“为了方便工程师的开发，赛灵思已经与 “C 语言到 FPGA” 编译器流程的重点厂商合作，共同工程师开发为嵌入式软件和系统开发人员提供用 C 语言方便构建处理器函数的方式，并将其移植到可编程逻辑扩展模块（通过 C 语言到 FPGA 综合）。目前国内厂商可以用AutoESL公司的工具。”

图3 可扩展平台支持软硬件同时协同开发大大提升开发效率

图4 目前BDIT等机构对C to FPGA语言工具的评估

可扩展处理平台的应用－－一个颇具吸引力的蓝海市场

如此强大的平台瞄准什么应用？Vin Ratford 表示这个平台瞄准的是高端嵌入式应用市场－－在这个市场中目前存在严峻的挑战，例如:微处理器的信号处理能力有限、多芯片实施非常昂贵、多芯片实施消耗太多的功耗（由于大量调用软件代码处理）、多芯片实施占用太大的空间以及ASICs/ASSP不能适应快速变化的需求，不能实现完全的差异化等等，可以说目前基本上没有适合的器件去应对这些挑战。

图5 赛灵思可扩展平台瞄准高端嵌入式应用市场

例如，有关统计显示：多0.5 秒的响应时间，就能避免 60% 的车头碰撞事故；而在所有造成死亡车祸的原因中，其中30%是因为疲劳驾驶。因此，运用科技来挽救生命是嵌入式系统车用市场持续发展的显著动力。驾驶辅助系统的开发人员在应用中不断构建更多的计算能力，雷达与红外线传感器、摄像头及其他系统组件，将成为汽车狭隘空间的必备元素。

“基于赛灵思ARM处理器可扩展平台的汽车辅助驾驶系统全集成驾驶辅助系统可以实现的功能有车道偏离警告系统、碰撞避免系统、盲点检测、自动巡航控制、夜视、自动泊车系统等，采用可扩展平台可以方便地将这些功能集成进汽车中，还可以方便的扩展到不同车型，例如可以从吉利车扩展到宝马等等。Vin Ratford 指出，“更重要的是，它还可以根据不同汽车的特性进行修正和差异化设计，我在奥迪最新S轿车上驾驶，感觉体验和宝马、奔驰的体验完全不一样，但是完成的功能都一致。”

汽车驾驶辅助系统非常复杂，例如仅输入驱动系统需求就包括：视频摄像头（720p30，8b）、红外传感器、 雷达传感器、实时数字信号处理等等，这需要器件具备32 GMACs 以上的性能。另外，在分析、控制、渲染驱动应用处理方面，需求包括：复杂的代码(100k-1000k+ 条代码)、整数代码执行性能高达约1600 DMIP、存储器带宽高达2985 MB/s等等，所以如果用多芯片来实现，如果满足了性能指标则功耗、尺寸等就难以保证，如下是用多芯片实现方案和可扩展平台方案的对比。

实际上，汽车驾驶辅助系统只是可扩展平台应用的一个方面，其他应用领域包括智能视频监控、工业自动化、航空和国防以及新一代无线系统等，据预测，高端嵌入式应用市场2014年的规模将达到127亿美元！

图6 用多芯片方案实现，裕量很小

图7 用可扩展平台方案实现，不但成本降低功耗也下降很多

可扩展处理平台的未来

很多人对于ARM内核在这个平台的授权比较感兴趣，ARM中国区总经理表示：“由于可扩展平台采用的是ARM硬核，所以其授权费用由赛灵思公司承担，产品用户可以享用ARM生态系统的所有成果。”他并指出，在FPGA平台中嵌入ARM Cortex－A9只是一个开始，由此预示未来会有更多ARM内核嵌入到FPGA中。

赛灵思与ARM两公司高管均非常看好这一合作未来

Vin表示在28nm工艺时代，赛灵思提供两类产品，一类是基于ARM处理器的可扩展平台，产品会在2010年1Q供应，一种没有嵌入ARM内核的纯FPGA产品，会在今年年底上市，这些产品会通过配置瞄准不同的应用。

此外，赛灵思会继续支持自己的Microblaze内核，MicroBlaze 处理器将继续移植到FPGA 器件上并进行相关强化。MicroBlaze 将采用 AMBA-AXI 接口，并首先随赛灵思 ISE 设计套件 12.3版本一同推出。
张宇清表示很多客户对这个新平台表示了浓厚的兴趣，目前赛灵公司可以为客户提供由4颗V5和2颗S6组成的赛灵思可扩展平台评估板，方便客户进行早期的开发。如图所示

图8 赛灵思可扩展平台评估板
明年，这个评估板的功能将浓缩为一颗小小的芯片，“价格则是它的千分之一。”Vin表示。

嵌入式领域的工程师们，“长缨已在手， 何时缚苍龙？”未来的创新就在你们手中！