FPGA的系統(tǒng)架構(gòu)組成和器件互聯(lián)問(wèn)題

　　通常來(lái)講，“一個(gè)好漢三個(gè)幫”，一個(gè)完整的嵌入式系統(tǒng)中由單獨(dú)一個(gè)FPGA使用的情況較少。通常由多個(gè)器件組合完成，例如由一個(gè)FPGA+CPU來(lái)構(gòu)成。通常為一個(gè)FPGA+ARM，ARM負(fù)責(zé)軟件配置管理，界面輸入外設(shè)操作等操作，F(xiàn)PGA負(fù)責(zé)大數(shù)據(jù)量運(yùn)算，可以看做CPU的專(zhuān)用協(xié)處理器來(lái)使用，也常會(huì)用于擴(kuò)展外部接口。常用的有ARM+FPGA，DSP+FPGA，或者網(wǎng)絡(luò)處理器+FPGA等種種架構(gòu)形式，這些架構(gòu)形式構(gòu)成整個(gè)高速嵌入式設(shè)備的處理形態(tài)。

　　不得不說(shuō)的是，隨著技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在CPU中集成的單元也隨之增加，例如TI的 “達(dá)芬奇”架構(gòu)的處理器內(nèi)部通常由ARM+DSP構(gòu)成。同時(shí)異構(gòu)的處理器形態(tài)業(yè)逐漸流行，如ARM9+ARM7的結(jié)構(gòu)。這類(lèi)一個(gè)主要處理系統(tǒng)(ARM9) 外帶輔助處理系統(tǒng)(ARM7)的設(shè)計(jì)，同樣成為現(xiàn)在處理器設(shè)計(jì)的流行方向。主處理系統(tǒng)運(yùn)行嵌入式操作系統(tǒng)，而輔助處理單元?jiǎng)t專(zhuān)注某一些的專(zhuān)用領(lǐng)域的處理。這些系統(tǒng)的應(yīng)用減少了FPGA作為CPU協(xié)處理單元的領(lǐng)域。因?yàn)楫吘笷PGA相比ARM等流行嵌入式處理器價(jià)格要相對(duì)較高。

　　在這種情形下，F(xiàn)PGA的廠商似乎也感受到了壓力，不約而同推出了帶ARM硬核的FPGA，例如ALTERA的和XILINX的ZYNQ和ALTERA的SOC FPGA。這是即是互相競(jìng)爭(zhēng)的需要，也是同眾多CPU廠商一掰手腕的杰作。即使在這兩種在趨勢(shì)下，經(jīng)典的處理器+FPGA的設(shè)計(jì)仍然可看做為高性能嵌入式系統(tǒng)的典型配置。

　　經(jīng)典的處理器+FPGA的配置中有多種的架構(gòu)形式，即多個(gè)處理器單元,可能是ARM，MIPS,或者DSP，F(xiàn)PGA也可能是多片的配置，具體架構(gòu)形式于具體處理的業(yè)務(wù)相關(guān)和目標(biāo)設(shè)備的定位也相關(guān)。因?yàn)镕PGA作為簡(jiǎn)單業(yè)務(wù)流大數(shù)據(jù)量的處理形態(tài)仍然是CPU無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，F(xiàn)PGA內(nèi)部可以開(kāi)發(fā)大量業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)并行，從而實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)處理。

　　在實(shí)現(xiàn)高速處理方面，CPU的另一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是多核，多核處理器也能處理大數(shù)據(jù)量的業(yè)務(wù)的并行，例如業(yè)界TERILA已推出64核的多核處理器，采用 MIPS處理器，通過(guò)二維MASH網(wǎng)絡(luò)連接在一起，形成NOC的結(jié)構(gòu)。在性能上已經(jīng)和現(xiàn)有的高速FPGA的處理能力上不相上下。但是多核處理器的不得不說(shuō)的問(wèn)題就是，同一業(yè)務(wù)流分配到多核處理上后，如需交互，例如訪問(wèn)同一資源，就會(huì)造成讀寫(xiě)的緩存一致的問(wèn)題，解決的這一問(wèn)題的天然思路是加鎖，即在變量訪問(wèn)上加自旋鎖，但是帶來(lái)的問(wèn)題就是處理性能的急劇下降。而FPGA無(wú)論并行處理和同一變量的訪問(wèn)，都可以變成工程師的設(shè)計(jì)水平的問(wèn)題，沒(méi)有原理性的挑戰(zhàn)。

　　FPGA的幾種熱門(mén)應(yīng)用

　　沒(méi)有一種器件可以滿足全人類(lèi)的眾多需求，因此不用擔(dān)心FPGA沒(méi)有用武之地。必定是一系列產(chǎn)品的組合。下面主要介紹一下FPGA可以作為現(xiàn)今熱門(mén)場(chǎng)景的幾種應(yīng)用。

　　(1)網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)產(chǎn)品，特別是現(xiàn)在的NAS，或者SAN設(shè)備上，其存儲(chǔ)的時(shí)間、接口、安全性等都要求較高，而FPGA無(wú)論處理性能還是擴(kuò)展接口的能力都使其在這一領(lǐng)域大有作為?，F(xiàn)在高端FPGA單片就可以擴(kuò)展32個(gè)或者更多4G或者8G的FC接口。并且其協(xié)議處理相對(duì)的固定，也使FPGA在這一領(lǐng)域有大量的可能應(yīng)用。

　　(2)高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，現(xiàn)在高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備10G、40/100G以太網(wǎng)設(shè)備領(lǐng)域，同樣FPGA也是關(guān)鍵的處理部件。特別是IPv6的商用化及大數(shù)據(jù)對(duì)于基礎(chǔ)設(shè)施的高要求，都使這一領(lǐng)域的處理應(yīng)用會(huì)逐漸廣泛，這一領(lǐng)域通常是高速網(wǎng)絡(luò)處理器(NP)+FPGA的典型架構(gòu)。

　　(3)4G等通信設(shè)備，對(duì)于新一代通信基站的信號(hào)處理，F(xiàn)PGA+DSP陣列的架構(gòu)就是絕配。特別是在專(zhuān)用處理芯片面世之前，這樣的架構(gòu)可以保證新一代通信基礎(chǔ)設(shè)施的迅速研發(fā)和部署。

　　沒(méi)有完美的架構(gòu)，只有合適的組合，各種芯片和架構(gòu)都是為應(yīng)用服務(wù)，互相的滲透是趨勢(shì)，也是必然。FPGA相對(duì)處理器的可編程領(lǐng)域，仍然屬于小眾(雖然人數(shù)也不少)。但是正像一則笑話所說(shuō)：大腿雖然比根命根子粗，但決沒(méi)有命子重要。這算開(kāi)個(gè)玩笑。FPGA的實(shí)現(xiàn)為以后的芯片化留下了許多可能和想象空間，從而在應(yīng)用大量爆發(fā)時(shí)通過(guò)芯片化來(lái)大幅降低成本，這這也正是其他可編程器件所不能比擬的。

　　FPGA與各組成器件之間互聯(lián)

　　系統(tǒng)架構(gòu)確定，下一步就是FPGA與各組成器件之間互聯(lián)的問(wèn)題了。通常來(lái)說(shuō)，CPU和FPGA的互聯(lián)接口，主要取決兩個(gè)要素：

　　(1)CPU所支持的接口。

　　(2)交互的業(yè)務(wù)。

　　通常來(lái)說(shuō)，F(xiàn)PGA一般支持與CPU連接的數(shù)字接口，其常用的有EMIF，PCI,PCI-E,UPP,網(wǎng)口(MII/GMII/RGMII)，DDR等接口。作為總線類(lèi)接口，F(xiàn)PGA通常作為從設(shè)備與CPU連接，CPU作為主設(shè)備通過(guò)訪問(wèn)直接映射的地址對(duì)FPGA進(jìn)行訪問(wèn)。根據(jù)是否有時(shí)鐘同步，通常總線訪問(wèn)分為同步或異步的總線，根據(jù)CPU外部總線協(xié)議有所不同，但數(shù)據(jù)、地址、控制信號(hào)基本是總線訪問(wèn)類(lèi)型中總線信號(hào)所不能省略的。CPU手冊(cè)中會(huì)對(duì)信號(hào)定義和時(shí)序控制有著詳細(xì)的說(shuō)明，F(xiàn)PGA需要根據(jù)這些詳細(xì)說(shuō)明來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的邏輯。同時(shí)CPU還可以對(duì)訪問(wèn)時(shí)序進(jìn)行設(shè)置，比如最快時(shí)鐘，甚至所需的最小建立時(shí)間和保持時(shí)間，這些一般CPU都可以進(jìn)行設(shè)置，而這些具體參數(shù)，不僅影響FPGA的實(shí)現(xiàn)，也決定總線訪問(wèn)的速度和效率。對(duì)于同步總線，只需要根據(jù)輸入時(shí)鐘進(jìn)行采樣處理即可，但對(duì)于異步總線，則需要的對(duì)進(jìn)入的控制信號(hào)進(jìn)行同步化處理，通常處理方式是寄存兩拍，去掉毛刺。因此用于采樣的時(shí)鐘就與CPU所設(shè)置的總線參數(shù)相關(guān)，如采樣時(shí)鐘較低，等控制信號(hào)穩(wěn)定后在譯碼后輸出，一個(gè)總線操作周期的時(shí)間就會(huì)相對(duì)較長(zhǎng)，其處理的效率也相對(duì)較低;假如采樣時(shí)鐘過(guò)快，則對(duì)關(guān)鍵路徑又是一個(gè)挑戰(zhàn)，因此合理設(shè)定采樣頻率，便于接口的移植并接口的效率是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)和平衡點(diǎn)。

　　對(duì)于總線型的訪問(wèn)來(lái)說(shuō)，數(shù)據(jù)信號(hào)通常為三態(tài)信號(hào)，用于輸入和輸出。這種設(shè)計(jì)的目的是為了減少外部連線的數(shù)量。因?yàn)閿?shù)據(jù)信號(hào)相對(duì)較多一般為8/16/32位數(shù)據(jù)總線?？偩€的訪問(wèn)的優(yōu)勢(shì)是直接映射到系統(tǒng)的地址區(qū)間，訪問(wèn)較為直觀。但相對(duì)傳輸速率不高，通常在幾十到100Mbps以下。這種原因的造成主要為以下因素(1)受制總線訪問(wèn)的間隔，總線操作周期等因素，總線訪問(wèn)間隔即兩次訪問(wèn)之間總線空閑的時(shí)間，而總線操作周期為從發(fā)起到相應(yīng)的時(shí)間。(2)不支持雙向傳輸，并且FPGA需主動(dòng)發(fā)起對(duì)CPU操作時(shí)，一般只有發(fā)起CPU的中斷處理一種方式。這種總線型操作特點(diǎn)，使其可以用作系統(tǒng)的管理操作，例如FPGA內(nèi)部寄存器配置，運(yùn)行過(guò)程中所需參數(shù)配置，以及數(shù)據(jù)流量較小的信息交互等操作。這些操作數(shù)據(jù)量和所需帶寬適中，可以應(yīng)對(duì)普通的嵌入式系統(tǒng)的處理需求。

　　對(duì)于大數(shù)據(jù)流量的數(shù)據(jù)交互，一般采用專(zhuān)用的總線交互，其特點(diǎn)是，支持雙向傳輸，總線傳輸速率較快，例如GMII/RGMII、Upp、專(zhuān)用LVDS接口，及SERDES接口。專(zhuān)用SERDES接口一般支持的有PCI-E，XAUI，SGMII，SATA，Interlaken接口等接口。 GMII/RGMII,專(zhuān)用LVDS接口一般處理在1GbpS一下的業(yè)務(wù)形式，而PCI-E，根據(jù)其型號(hào)不同，支持幾Gbps的傳輸速率。而XAUI可支持到10Gbps的傳輸速率，lnterlaken接口可支持到40Gbps的業(yè)務(wù)傳輸。

　　對(duì)于不同所需的業(yè)務(wù)形式及處理器的類(lèi)型，則可選擇相應(yīng)的接口形式，來(lái)傳輸具體的業(yè)務(wù)?，F(xiàn)今主流FPGA中都提供的各種接口的IP。選擇FPGA與各型 CPU互聯(lián)接口，一般選擇主流的應(yīng)用交互方案，特殊的接口缺少支撐IP，導(dǎo)致開(kāi)發(fā)、調(diào)試、維護(hù)和兼容性的成本都較大，同時(shí)注意系統(tǒng)的持續(xù)演進(jìn)的需要，如只在本項(xiàng)目使用一次，而下一項(xiàng)目或開(kāi)發(fā)階段已摒棄此類(lèi)接口，則需提前規(guī)劃技術(shù)路線。畢竟一個(gè)穩(wěn)定、高效的接口互聯(lián)是一個(gè)項(xiàng)目成功的基礎(chǔ)。

　　不是所有的嵌入式系統(tǒng)都需要“高大上”的接口形式，各類(lèi)低速的穩(wěn)定接口也同樣在FPGA的接口互聯(lián)中有著重要的角色，其中UART、SPI、I2C等連接形式也非常的常見(jiàn)。畢竟，一個(gè)優(yōu)秀的設(shè)計(jì)不是“高大上”的堆積，而是對(duì)需求最小成本的滿足。適合的才是最美的。