高性能嵌入式设计的加速器：创新型可扩展式处理平台

作者：赵娟
选择ASSP还是采用合适的SoC？

工程师通常都会充分权衡，并进行一番性能折衷，因为如果选用ASSP，虽然便于实施，但会阻碍产品定制与差异化的发挥。于是越来越多的OEM厂商利用FPGA，从成本、功耗、密度和性能方面获得与ASIC相同的功能，增加灵活性且降低风险。

现在，赛灵思推出的可扩展式处理平台，增加了一种新选择：将双核ARM Cortex-A9 MPCore处理器与关键外设及可编程逻辑整合在一起，意图以ARM处理器为核心，同时提供串行和并行处理能力，利用SoC方法来降低成本与功耗，增强特性与性能。

对于汽车驾驶辅助、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要求多功能和实时响应的终端市场来说，需要高性能嵌入式系统。日前在硅谷的嵌入式会议上，赛灵思展出的可扩展处理平台，充分利用了ARM的双核Cortex-A9 MPCore处理器，每个内核最高运行频率都达到800MHz。通过这个平台，设计者可以将需要高速接入、实时输入、高性能处理和/或复杂的数字信号处理的应用程序的串行和并行处理结合到一起。

“在ARM以往和FPGA厂商的合作中，通常是以FPGA为中心，处理器为辅。我们这次相反，处理器为主，FPGA为辅，当系统上电时，不用FPGA先启动处理器就会自动启动。”赛灵思全球市场营销及业务开发高级副总裁Vin Ratford表示。在下图处理器系统架构中，灰色部分都是以硬核实现。

“可扩展式”处理平台

“生态环境好、百万软件支持、相当强大的IP库，ARM的这些优势有助于赛灵思进入更多的市场。”Ratford表示。目前全球出货量中有170亿部器件采用了ARM技术，同时ARM拥有200多家芯片合作伙伴，500多份许可证和设计方案。

“我们未来处理器的策略是硬核和软核并用，硬核我们以前是采用PowerPC，未来会转向ARM，软核方面会继续支持MicroBlaze。”Ratford表示。“MicroBlaze生命周期也会更长，将来我们在28nm上也有新一代的MicroBlaze，性能会更高。MicroBlaze目前也有很多客户在使用，所以我们会继续发展MicroBlaze。”据悉，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。

“同时，未来赛灵思不再开发基于PowerPC的新产品，但与ARM合作不会影响赛灵思对PowerPC架构的支持。在该领域我们已有一些航空和工业方面的客户，我们会继续提供支持。”Ratford表示。

大多数嵌入式处理系统都是以处理器为核心，对于工程师来说，更多的使用传统代码必将加快设计速度。在FPGA架构上实现IP互操作的标准接口，能利用FPGA成功实施SoC。

“对于系统处理应用，影响其速度的不只是CPU性能，接口处理能力在很大程度上决定了整个系统的应用能力。”ARM中国总经理兼销售副总裁吴雄昂表示，“相同频率下，由于接口瓶颈的限制，系统功能会相差40~50%。我们与赛灵思的合作采用了AMBA/AXI接口，获得很高的数据吞吐能力。”

高带宽AMBA-AXI互联与处理器系统结合后，可编程逻辑能够使用现成的IP和/或定制IP将关键的系统功能速度提升达100倍之多。这种架构方法不仅能解决并行和串行计算环境、存储器以及I/O之间的常见性能瓶颈问题，而且还能让处理器系统实现包括动态重配置在内的可编程逻辑配置控制。
软硬并举，加速设计流程

“传统上，软件工程师需要等硬件工程师完成设计后再开始编程，采用可扩展处理平台，软件工程师从设计第一天开始即可编程。”Ratford表示。

软件跟硬件共同开发的一个优势，是硬件工程师在开始做架构的同时，软件工程师也可以开展他们设计，“这时候可以比较硬件和软件的环境，它的瓶颈在什么地方，需要自己建立一些IP或者用第三方的IP，在FPGA里面可以实现，也可以实现硬件的加速。”Ratford表示。

如下图所示，软件工程师是蓝色部分，硬件工程师是红色的部分，中间有交流的地方，会使用IP，最后可以把IP最后融合在一起。

以处理器为核心的设计方法可以支持一个以软件为核心的开发流程，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。

“这里我们会去支持一些主流的操作系统，如Linux、风河的VxWorks、Micrium的uC-OSII等。它的IP核可以由ARM强大的生态系统提供，方便工程师产品更快地进入市场。”Ratford表示。“我们曾经跟全球150个客户做过调查——其中大部分都在中国，他们都希望有一个可以扩展的平台去满足现在的性能和功耗的需求，从汽车、航空和国防工业，无线通信等不同领域都有这样的需求。”

为了进一步提高从软件代码向硬件转变的优势，赛灵思还与“C语言到FPGA”编译器流程的重点厂商合作，共同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)。

后记：基于可扩展式处理平台架构的产品定价及供货情况信息将于2011年初公布，不过，赛灵思已经开始为ARM Cortex处理器提供支持。面向Virtex FPGA和Spartan FPGA系列的Cortex-M1以及基于赛灵思器件的RealView开发板目前已经推出，可用来开发完整的系统，验证定制 IP并编写设备驱动程序