可配置平臺(tái)：殊途同歸
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作者：穆強(qiáng),EDN CHINA 執(zhí)行主編
時(shí)間：2005-09-04
來(lái)源：EDN電子設(shè)計(jì)技術(shù)
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可配置平臺(tái)：殊途同歸
盡管實(shí)現(xiàn)的方法各有差異，但是設(shè)計(jì)界努力的目標(biāo)是一致的，即尋求一種能夠滿足功能性要求，又能夠保持足夠靈活性的可配置設(shè)計(jì)平臺(tái)。
在FPGA誕生后的頭十年中，它與ASIC所服務(wù)的市場(chǎng)可以說(shuō)是涇渭分明，大家過(guò)得也算是相安無(wú)事?？墒呛髞?lái)，尤其是最近的五年中，工業(yè)界的價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生了深刻的變化：主頻和線寬不再成為衡量一件產(chǎn)品優(yōu)劣的唯一指標(biāo)，倒是“面市時(shí)間”這個(gè)反映實(shí)現(xiàn)能力的詞匯常常掛在人們嘴邊。也就是說(shuō)，工業(yè)界對(duì)于設(shè)計(jì)響應(yīng)市場(chǎng)變化的靈活性提出了更高的要求。恰逢此時(shí)，經(jīng)濟(jì)衰退中半導(dǎo)體工藝升級(jí)步伐的減緩將ASIC拖入了高成本的泥潭，因此以FPGA為代表的可編程技術(shù)越發(fā)顯現(xiàn)出它的“侵略性”，不斷在應(yīng)用市場(chǎng)中攻城掠地，蠶食ASIC的市場(chǎng)空間。
雖然關(guān)于“ASIC和FPGA采用誰(shuí)”的爭(zhēng)論由來(lái)已久，但歸根結(jié)底就是設(shè)計(jì)界希望在功能性和靈活性之間找到一種均衡，達(dá)到“魚(yú)和熊掌兼得”的境界。在對(duì)這兩“性”有著鮮明需求傾向的領(lǐng)域，選擇誰(shuí)自不必說(shuō)，因此大家爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)就落在了要功能性和靈活性兼顧的“中間地帶”。在過(guò)去的幾年中，我們已經(jīng)看到了ASIC和FPGA兩個(gè)陣營(yíng)為此進(jìn)行的努力。從現(xiàn)在的形勢(shì)上看，ASIC陣營(yíng)的步伐似乎要慢半拍，他們的努力大多還是集中在對(duì)ASIC產(chǎn)品制造及升級(jí)成本的削減方面，結(jié)構(gòu)化ASIC的出現(xiàn)就是一個(gè)例子（參見(jiàn)附文《從ASIC逼近》）。而目前市場(chǎng)中比較成熟的、符合“不大改動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)的情況下具有改變系統(tǒng)特性和行為的靈活性”定義的可配置設(shè)計(jì)平臺(tái)，大多來(lái)自于FPGA廠商。
目前設(shè)計(jì)界在“可配置平臺(tái)”的實(shí)現(xiàn)上，基本上是因循著“微處理器+可編程邏輯”的思路進(jìn)行的。那么不同可配置平臺(tái)間的差異性，很大程度上就體現(xiàn)在對(duì)微處理器和可編程邏輯的設(shè)計(jì)和選擇上。
硬核平臺(tái)
面對(duì)廣大的嵌入式應(yīng)用，CPU往往是系統(tǒng)最終性能表現(xiàn)優(yōu)劣的關(guān)鍵。因此FPGA廠商往往會(huì)選擇在FPGA中集成硬核CPU以及其他外圍模塊的方式，創(chuàng)造出一種滿足高性能應(yīng)用的器件類型。
在硬核CPU的選用上，Xilinx公司采用的是PowerPC 405，這是一個(gè) 32位RISC核，將其集成在Xilinx的Virtex-Ⅱ Pro器件中后，工作頻率可以達(dá)到400MHz，性能超過(guò)了600DMIPS，這一出眾的性能使Virtex-Ⅱ Pro受到網(wǎng)絡(luò)電信、音視頻處理等高端應(yīng)用的青睞。
與Xilinx不同，另一家FPGA廠商Altera公司在設(shè)計(jì)基于硬核的可配置平臺(tái)時(shí)，選用了公開(kāi)授權(quán)的ARM922架構(gòu)，這是一個(gè)主頻可以達(dá)到200MHz的32位RISC內(nèi)核，它與Altera的APEX FPGA架構(gòu)集成后形成了被稱為Excalibur的系列器件，根據(jù)可編程邏輯密度和外圍模塊的不同Excalibur共有三個(gè)型號(hào)。Altera公司IP業(yè)務(wù)部副總裁Craig Lytle表示，Excalibur器件是專門(mén)針對(duì)喜歡采用ARM指令集架構(gòu)(ISA)并尋求完整的處理器次系統(tǒng)來(lái)充當(dāng)主處理器的客戶設(shè)計(jì)的，而且他堅(jiān)定的認(rèn)為，與PowerPC相比，作為可配置平臺(tái)的CPU硬核，ARM是一種更有前途的架構(gòu)，這是因?yàn)椤癆RM的AMBA總線架構(gòu)是事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，很多IP供應(yīng)商已將AMBA總線架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化”，這對(duì)于平臺(tái)功能的擴(kuò)展與升級(jí)是十分關(guān)鍵的。
盡管業(yè)內(nèi)存在不同的聲音，Xilinx仍然對(duì)它的基于PowerPC的產(chǎn)品線充滿信心。到目前為止，Xilinx已經(jīng)付運(yùn)的PowerPC內(nèi)核超過(guò)了10萬(wàn)，而且在PowerPC技術(shù)的推廣上它依然在奉行著一種“強(qiáng)硬”的市場(chǎng)策略，即在幾乎所有的Virtex-Ⅱ Pro器件中都加入PowerPC內(nèi)核，此舉的意義在于只要是使用Virtex-Ⅱ Pro FPGA產(chǎn)品的客戶，不論其現(xiàn)在的設(shè)計(jì)需要微處理器內(nèi)核與否，都成為了基于PowerPC平臺(tái)的潛在的使用者。根據(jù)Gartner的測(cè)算，目前在Xilinx超過(guò)10萬(wàn)的客戶中，大約有2.6%的客戶具有“激活”P(pán)owerPC內(nèi)核的設(shè)計(jì)工具，有1.3%的客戶已經(jīng)在從事基于PowerPC的設(shè)計(jì)。可以說(shuō)，這是目前最大的基于硬核的可配置平臺(tái)開(kāi)發(fā)社區(qū)。
表1，基于FPGA的主流可配置平臺(tái)
不過(guò)在Xilinx公司對(duì)PowerPC信心十足之時(shí)，一個(gè)微妙的變化值得留意——今年3月，Xilinx收購(gòu)了一家名為T(mén)riscend的芯片公司，該公司曾經(jīng)推出一款被稱為CSoC（Configurable System-On-Chip，可配置系統(tǒng)級(jí)芯片）的器件，其采用的也是一種“微處理器+可編程邏輯”的架構(gòu)，而其中的CPU內(nèi)核選用的是ARM7TDMI。對(duì)于這次并購(gòu)，Xilinx公司亞太區(qū)高端產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理梁曉明先生的解釋是“兩家公司在技術(shù)上的聯(lián)姻可以為Xilinx公司進(jìn)入潛力巨大的嵌入式市場(chǎng)提供支持”，但這背后的潛臺(tái)詞是否是“Xilinx也在考慮在可配置設(shè)計(jì)平臺(tái)中引入ARM架構(gòu)”呢？讓我們拭目以待。
Triscend公司在被收購(gòu)后，其CSoC產(chǎn)品線及既有客戶的支持交由其原先在中國(guó)的代理北京矽正電子技術(shù)有限公司（Zylogic Semiconductor Corp.）運(yùn)作。CSoC也是一種市面上可見(jiàn)到的硬核可配置平臺(tái)產(chǎn)品。雖然在架構(gòu)上與剛才介紹的FPGA廠商推出的平臺(tái)產(chǎn)品如出一轍，但在器件設(shè)計(jì)的理念上還是存在一些差異?？傮w來(lái)說(shuō)，兩者最大的差別就在于FPGA廠商產(chǎn)品設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)還是在可編程邏輯部分，而CSoC平臺(tái)則會(huì)更傾向于微處理器一邊，這就給器件中可配置功能的定義與劃分，以及開(kāi)發(fā)工具的設(shè)計(jì)帶來(lái)差異。矽正電子大客戶經(jīng)理王起龍?jiān)诜治鯟SoC平臺(tái)特點(diǎn)時(shí)指出，與FPGA公司的硬核平臺(tái)比較，兩者最顯著的差異是在系統(tǒng)總線上。CSoC平臺(tái)在總線上采用了一種Selector技術(shù)，就是通過(guò)特制的ASIC電路進(jìn)行硬件譯碼，而Xilinx的產(chǎn)品中譯碼的功能是需要占用系統(tǒng)可編程邏輯資源完成的，因此在這方面CSoC平臺(tái)具有更高的效率。這種以微處理器為核心的“傾向性”似乎更適合于嵌入式應(yīng)用，CSoC平臺(tái)當(dāng)初主攻的市場(chǎng)就是工控領(lǐng)域，由此也就不難分析出Xilinx對(duì)Triscend公司的興趣所在了。
圖1，由前Triscend公司推出的CSoC器件中集成了一個(gè)ARM7TDMI芯核，其ASIC的成分與可編程邏輯電路對(duì)硅資源的占用比例基本上是根據(jù)“二八”原則設(shè)置的。
在FPGA誕生后的頭十年中，它與ASIC所服務(wù)的市場(chǎng)可以說(shuō)是涇渭分明，大家過(guò)得也算是相安無(wú)事?？墒呛髞?lái)，尤其是最近的五年中，工業(yè)界的價(jià)值標(biāo)準(zhǔn)發(fā)生了深刻的變化：主頻和線寬不再成為衡量一件產(chǎn)品優(yōu)劣的唯一指標(biāo)，倒是“面市時(shí)間”這個(gè)反映實(shí)現(xiàn)能力的詞匯常常掛在人們嘴邊。也就是說(shuō)，工業(yè)界對(duì)于設(shè)計(jì)響應(yīng)市場(chǎng)變化的靈活性提出了更高的要求。恰逢此時(shí)，經(jīng)濟(jì)衰退中半導(dǎo)體工藝升級(jí)步伐的減緩將ASIC拖入了高成本的泥潭，因此以FPGA為代表的可編程技術(shù)越發(fā)顯現(xiàn)出它的“侵略性”，不斷在應(yīng)用市場(chǎng)中攻城掠地，蠶食ASIC的市場(chǎng)空間。
雖然關(guān)于“ASIC和FPGA采用誰(shuí)”的爭(zhēng)論由來(lái)已久，但歸根結(jié)底就是設(shè)計(jì)界希望在功能性和靈活性之間找到一種均衡，達(dá)到“魚(yú)和熊掌兼得”的境界。在對(duì)這兩“性”有著鮮明需求傾向的領(lǐng)域，選擇誰(shuí)自不必說(shuō)，因此大家爭(zhēng)奪的焦點(diǎn)就落在了要功能性和靈活性兼顧的“中間地帶”。在過(guò)去的幾年中，我們已經(jīng)看到了ASIC和FPGA兩個(gè)陣營(yíng)為此進(jìn)行的努力。從現(xiàn)在的形勢(shì)上看，ASIC陣營(yíng)的步伐似乎要慢半拍，他們的努力大多還是集中在對(duì)ASIC產(chǎn)品制造及升級(jí)成本的削減方面，結(jié)構(gòu)化ASIC的出現(xiàn)就是一個(gè)例子（參見(jiàn)附文《從ASIC逼近》）。而目前市場(chǎng)中比較成熟的、符合“不大改動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)的情況下具有改變系統(tǒng)特性和行為的靈活性”定義的可配置設(shè)計(jì)平臺(tái)，大多來(lái)自于FPGA廠商。
目前設(shè)計(jì)界在“可配置平臺(tái)”的實(shí)現(xiàn)上，基本上是因循著“微處理器+可編程邏輯”的思路進(jìn)行的。那么不同可配置平臺(tái)間的差異性，很大程度上就體現(xiàn)在對(duì)微處理器和可編程邏輯的設(shè)計(jì)和選擇上。
硬核平臺(tái)
面對(duì)廣大的嵌入式應(yīng)用，CPU往往是系統(tǒng)最終性能表現(xiàn)優(yōu)劣的關(guān)鍵。因此FPGA廠商往往會(huì)選擇在FPGA中集成硬核CPU以及其他外圍模塊的方式，創(chuàng)造出一種滿足高性能應(yīng)用的器件類型。
在硬核CPU的選用上，Xilinx公司采用的是PowerPC 405，這是一個(gè) 32位RISC核，將其集成在Xilinx的Virtex-Ⅱ Pro器件中后，工作頻率可以達(dá)到400MHz，性能超過(guò)了600DMIPS，這一出眾的性能使Virtex-Ⅱ Pro受到網(wǎng)絡(luò)電信、音視頻處理等高端應(yīng)用的青睞。
與Xilinx不同，另一家FPGA廠商Altera公司在設(shè)計(jì)基于硬核的可配置平臺(tái)時(shí)，選用了公開(kāi)授權(quán)的ARM922架構(gòu)，這是一個(gè)主頻可以達(dá)到200MHz的32位RISC內(nèi)核，它與Altera的APEX FPGA架構(gòu)集成后形成了被稱為Excalibur的系列器件，根據(jù)可編程邏輯密度和外圍模塊的不同Excalibur共有三個(gè)型號(hào)。Altera公司IP業(yè)務(wù)部副總裁Craig Lytle表示，Excalibur器件是專門(mén)針對(duì)喜歡采用ARM指令集架構(gòu)(ISA)并尋求完整的處理器次系統(tǒng)來(lái)充當(dāng)主處理器的客戶設(shè)計(jì)的，而且他堅(jiān)定的認(rèn)為，與PowerPC相比，作為可配置平臺(tái)的CPU硬核，ARM是一種更有前途的架構(gòu)，這是因?yàn)椤癆RM的AMBA總線架構(gòu)是事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，很多IP供應(yīng)商已將AMBA總線架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化”，這對(duì)于平臺(tái)功能的擴(kuò)展與升級(jí)是十分關(guān)鍵的。
盡管業(yè)內(nèi)存在不同的聲音，Xilinx仍然對(duì)它的基于PowerPC的產(chǎn)品線充滿信心。到目前為止，Xilinx已經(jīng)付運(yùn)的PowerPC內(nèi)核超過(guò)了10萬(wàn)，而且在PowerPC技術(shù)的推廣上它依然在奉行著一種“強(qiáng)硬”的市場(chǎng)策略，即在幾乎所有的Virtex-Ⅱ Pro器件中都加入PowerPC內(nèi)核，此舉的意義在于只要是使用Virtex-Ⅱ Pro FPGA產(chǎn)品的客戶，不論其現(xiàn)在的設(shè)計(jì)需要微處理器內(nèi)核與否，都成為了基于PowerPC平臺(tái)的潛在的使用者。根據(jù)Gartner的測(cè)算，目前在Xilinx超過(guò)10萬(wàn)的客戶中，大約有2.6%的客戶具有“激活”P(pán)owerPC內(nèi)核的設(shè)計(jì)工具，有1.3%的客戶已經(jīng)在從事基于PowerPC的設(shè)計(jì)。可以說(shuō)，這是目前最大的基于硬核的可配置平臺(tái)開(kāi)發(fā)社區(qū)。
表1，基于FPGA的主流可配置平臺(tái)
不過(guò)在Xilinx公司對(duì)PowerPC信心十足之時(shí)，一個(gè)微妙的變化值得留意——今年3月，Xilinx收購(gòu)了一家名為T(mén)riscend的芯片公司，該公司曾經(jīng)推出一款被稱為CSoC（Configurable System-On-Chip，可配置系統(tǒng)級(jí)芯片）的器件，其采用的也是一種“微處理器+可編程邏輯”的架構(gòu)，而其中的CPU內(nèi)核選用的是ARM7TDMI。對(duì)于這次并購(gòu)，Xilinx公司亞太區(qū)高端產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理梁曉明先生的解釋是“兩家公司在技術(shù)上的聯(lián)姻可以為Xilinx公司進(jìn)入潛力巨大的嵌入式市場(chǎng)提供支持”，但這背后的潛臺(tái)詞是否是“Xilinx也在考慮在可配置設(shè)計(jì)平臺(tái)中引入ARM架構(gòu)”呢？讓我們拭目以待。
Triscend公司在被收購(gòu)后，其CSoC產(chǎn)品線及既有客戶的支持交由其原先在中國(guó)的代理北京矽正電子技術(shù)有限公司（Zylogic Semiconductor Corp.）運(yùn)作。CSoC也是一種市面上可見(jiàn)到的硬核可配置平臺(tái)產(chǎn)品。雖然在架構(gòu)上與剛才介紹的FPGA廠商推出的平臺(tái)產(chǎn)品如出一轍，但在器件設(shè)計(jì)的理念上還是存在一些差異?？傮w來(lái)說(shuō)，兩者最大的差別就在于FPGA廠商產(chǎn)品設(shè)計(jì)的出發(fā)點(diǎn)還是在可編程邏輯部分，而CSoC平臺(tái)則會(huì)更傾向于微處理器一邊，這就給器件中可配置功能的定義與劃分，以及開(kāi)發(fā)工具的設(shè)計(jì)帶來(lái)差異。矽正電子大客戶經(jīng)理王起龍?jiān)诜治鯟SoC平臺(tái)特點(diǎn)時(shí)指出，與FPGA公司的硬核平臺(tái)比較，兩者最顯著的差異是在系統(tǒng)總線上。CSoC平臺(tái)在總線上采用了一種Selector技術(shù)，就是通過(guò)特制的ASIC電路進(jìn)行硬件譯碼，而Xilinx的產(chǎn)品中譯碼的功能是需要占用系統(tǒng)可編程邏輯資源完成的，因此在這方面CSoC平臺(tái)具有更高的效率。這種以微處理器為核心的“傾向性”似乎更適合于嵌入式應(yīng)用，CSoC平臺(tái)當(dāng)初主攻的市場(chǎng)就是工控領(lǐng)域，由此也就不難分析出Xilinx對(duì)Triscend公司的興趣所在了。
圖1，由前Triscend公司推出的CSoC器件中集成了一個(gè)ARM7TDMI芯核，其ASIC的成分與可編程邏輯電路對(duì)硅資源的占用比例基本上是根據(jù)“二八”原則設(shè)置的。
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