FPGA与ARM核结合实现功能互补

赛迪顾问消费电子中心咨询顾问 马思超

随着FPGA技术的不断发展和创新，使RISC处理器与FPGA集成、两种系统的融合与优化成为新一代FPGA的发展趋势。

如今，FPGA技术正处在高速发展时期，芯片规模越来越大，集成度越来越高，速度不断提高，性能不断提升，功耗也越来越低。FPGA凭借其强大的并行信号处理能力，在应对控制复杂度低、数据量大的运算时具有较强的优势。但是在复杂算法的实现上，FPGA却远没有32位精简指令集计算机(RISC)处理器灵活方便，所以在设计具有复杂算法和控制逻辑的系统时，往往需要RISC和FPGA结合使用。这样，电路设计的难度也就相应地增加。

RISC和FPGA结合成发展趋势

RISC处理器与FPGA集成，减小了硬件电路的复杂性和体积，降低了功耗，提高了可靠性。

FPGA技术的不断发展和创新使RISC处理器与FPGA集成，从而大大减小了硬件电路复杂性和体积，同时也降低了功耗，提高了系统可靠性，两种系统的融合与优化成为新一代FPGA的发展趋势。

2010年，FPGA厂商Xilinx和Altera先后联手英国ARM公司瞄准下一代消费电子、汽车及工业电子应用领域，推出了各自的FPGA内嵌ARM硬核嵌入式处理器架构。与传统嵌入式微处理器概念不同，基于ARM的FPGA单片系统通过内部高速总线有效的提升系统间信号传递的速度与稳定性，摆脱了PCB布线线宽对信号带宽的限制。在降低PCB布局布线复杂程度的同时，极大程度地缩小了芯片尺寸。作为高性能、低成本协处理器的最佳选择，FPGA为处理器提供了硬件加速的空间。同时，FPGA庞大的可编程逻辑资源与灵活的可重配置能力使系统级芯片可以在内部进行软、硬件升级，解决了由升级系统功能带来的更换外部设备带来的成本问题。

作为迈入嵌入式系统领域的第一步，Altera和Xilinx(赛灵思)都成功地将片上系统硬核融入可编程逻辑。其中Xilinx仅与ARM合作，而Altera则提供更多嵌入式硬核的种类。然而两种系统的组合均可以根据实际应用需求进行优化与裁剪。Altera和Xilinx在2011年提出了以ARM为核心的可扩展式处理器平台。其中可编程逻辑仅作为可访问硬件资源被集成在ARM系统中。较以往的ARM处理器，这种可拓展式的嵌入式平台具有动态配置可编程逻辑的功能，可在需要时提升处理器速度，扩展处理器缓存容量。在FPGA与ARM系统接口方面，赛灵思提出的带有可编程逻辑的ARM系统解决了将FPGA嵌入ARM核方案中遇到的带宽问题。

FPGA与ARM核结合实现功能互补

两种高集成度芯片的融合将对已有的基于ARM和FPGA嵌入式系统重新定义。

FPGA与ARM融合的价值不仅仅体现在处理器性能的提升上。

用于视频监控领域的基于ARM的FPGA能够进行高级决策与控制处理，并管理复杂的控制系统结构和多个并行数据接入，同时进行高性能低延迟的信号处理，以通过分布式/远程智能视频系统对各种行为进行监控、分析和比较，并做出正确的行为决策。用于汽车电子领域的ARM嵌入式系统能够方便的连接到最新传感器技术，通过可编程逻辑的高性能并行处理能力处理多个数字信号输入(视频、雷达、红外等)，并能快速将数据传输给ARM处理系统进行分析、比较，然后做出反应，并在汽车电子系统框架中进行通信。另外，用于通信领域的FPGA芯片内部集成了高频无线收发模块。该类型FPGA与ARM的结合将给软件无线电提供片上系统的可能，使得无线电基站设计建设向低成本、低功耗和小型化发展。用于信号处理和工业控制领域的FPGA芯片通常不集成模数/数模转换功能。

然而在系统原型验证过程中，高速模数转换器的电路板设计一直是影响信号处理算法效率的首要因素。利用ARM系统内部硬件资源实现具有高可靠性的片内信号离散化过程是缩短验证周期的有力保障。用于智能移动终端领域的FPGA由于其强大的并行处理能力常用作协处理器，而ARM出色的图像处理性能已经颠覆了智能手机、平板电脑等领域。将这两种高集成度的芯片融合成为单芯片片上系统，将对已有的基于ARM和FPGA嵌入式系统重新定义。由此可见，FPGA与ARM的结合实现了各自应用领域中所需功能的互补。

ARM处理器与FPGA可编程逻辑相结合，提供了巨大的串行和并行处理能力，发挥了FPGA逻辑控制对大量数据进行高速处理的优势以及ARM软件编程灵活的特点。这不仅简化了ARM与FPGA之间的通讯，也使片外扩展存储器以及与外设通讯变得相对简单;同时通过在FPGA中嵌入各种IP软核和用户控制逻辑/复杂算法控制逻辑以实现各种接口和控制任务。基于ARM的FPGA能够对逻辑资源进行动态配置，实现时间的时分复用，灵活快速地改变系统功能，节省逻辑资源，能够满足大规模应用的需求，是未来FPGA重点发展的领域之一。