作者：Clive "Max" Maxfield

編者按：

最佳處理解決方案常常是由RISC、CISC、圖形處理器與FPGA的組合提供，或由FPGA單獨提供，或以硬處理器內(nèi)核作為部分結(jié)構(gòu)的FPGA提供。然而，許多設計人員不熟悉FPGA的功能、其發(fā)展脈絡以及如何使用 FPGA。

現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 具有諸多特性，無論是單獨使用，抑或采用多樣化架構(gòu)，皆可作為寶貴的計算資產(chǎn)；但是許多設計人員并不熟悉FPGA，也不清楚如何將這類器件整合到設計中。

解決辦法之一是深入研究主要供應商提供的FPGA架構(gòu)及相關(guān)工具。本文將介紹Microchip Technology的產(chǎn)品系列。

高級FPGA選型概覽

市場上有許多不同類型的FPGA，每種類型都有不同的功能和特性組合。可編程結(jié)構(gòu)是所有FPGA的核心，它以可編程邏輯塊陣列的形式呈現(xiàn)，也稱為邏輯元件 (LE)（圖1a）。FPGA結(jié)構(gòu)可進一步擴展，以包括SRAM塊（稱為塊RAM (BRAM)）、鎖相環(huán) (PLL) 和時鐘管理器之類的東西（圖1b）。此外，還可以添加數(shù)字信號處理 (DSP) 塊（稱為DSP切片）和高速串行器/解串器 (SERDES)（圖1c）。

圖1：最簡單的FPGA僅包含可編程結(jié)構(gòu)和可配置通用IO (GPIO) (a)；不同架構(gòu)是在此基本結(jié)構(gòu)上增加其他元件而形成：SRAM塊、PLL和時鐘管理器 (b)；DSP塊和SERDES接口 (c)；以及硬處理器內(nèi)核和外設 (d)。（圖片來源：Max Maxfield）

外設接口功能（如CAN、I2C、SPI、UART和USB）可以作為可編程結(jié)構(gòu)中的軟內(nèi)核來實現(xiàn)，但許多FPGA將其作為硬內(nèi)核在硅片中實現(xiàn)。同樣，微處理器也可以實現(xiàn)為可編程結(jié)構(gòu)中的軟內(nèi)核，或作為硬內(nèi)核在硅片中實現(xiàn)（圖1d）。具有硬處理器內(nèi)核的FPGA稱為片上系統(tǒng) (SoC) FPGA。不同F(xiàn)PGA針對不同的市場和應用提供不同的功能、特性和容量集合。

FPGA供應商有很多，包括Altera（被Intel收購）、Atmel（被Microchip Technology收購）、Lattice Semiconductor、Microsemi（也被Microchip Technology收購）和Xilinx。

所有這些供應商都提供多個FPGA系列；有的提供SoC FPGA，有的則針對航天等高輻射環(huán)境提供耐輻射器件。由于產(chǎn)品系列眾多，每個系列提供不同的資源，因此為眼前的任務選擇最佳器件可能很棘手。

Microchip Technology的FPGA概覽

Microchip Technology的FPGA產(chǎn)品范圍覆蓋中低端，以具有優(yōu)異可靠性的低功耗、高安全性器件為主。Microchip的FPGA廣泛部署于有線和無線通信、國防和航空、工業(yè)嵌入式應用，擁有強大的DSP和存儲器資源，并在硬件加速、人工智能、圖像處理、邊緣計算等應用中展示出了一定價值。

Microchip推出了三個主要FPGA系列：

? IGLOO?2 FPGA：具有大量資源的低密度器件
? SmartFusion?2 SoC FPGA：具有大量資源和32位硬處理器內(nèi)核的低密度器件
? PolarFire? FPGA 和 SoC FPGA：成本經(jīng)過優(yōu)化的高性能器件，并采用28納米 (nm) 工藝技術(shù)實現(xiàn)

所有FPGA都有配置單元，它們決定了每個可編程邏輯塊的功能，以及邏輯塊彼此之間和邏輯塊與外部的連接方式。這些單元還可用于配置GPIO的接口標準、輸入阻抗、輸出壓擺率等。

有些FPGA使用基于SRAM的配置單元，但這些是易失性存儲器，當系統(tǒng)斷電時，其內(nèi)容會丟失。而且，當系統(tǒng)上電時，必須從外部來源（通常是閃存器件）加載配置數(shù)據(jù)。這些FPGA需要花費非常長的時間來完成上電和使用前的準備工作。

有些FPGA使用片上閃存來存儲配置數(shù)據(jù)，但仍有基于SRAM的配置單元。在這種情況下，當上電時，片上控制器將配置數(shù)據(jù)從閃存配置存儲器復制到SRAM配置單元。這些FPGA的上電速度比純SRAM產(chǎn)品要快。

Microchip的IGLOO2 FPGA和SmartFusion2 SoC FPGA采用不同的機制，片上配置存儲器和片上配置單元均采用閃存技術(shù)實現(xiàn)。在PolarFire器件中，配置單元基于硅氧化氮氧化硅 (SONOS) 非易失性存儲器 (NVM) 技術(shù)，可以將其視為“類似閃存，但更好”。

由于配置數(shù)據(jù)存儲在非易失性閃存（或SONOS）單元中，因此Microchip的FPGA和SoC FPGA可以“即時啟動”。也就是說，它們的上電速度比任何其他類型的FPGA都要快。這些器件也包含閃存配置存儲器的原因是，在將新配置加載到此配置中的同時，F(xiàn)PGA可以使用其配置單元中的現(xiàn)有配置繼續(xù)運行。一旦新配置下載完成并得到了驗證（配置可以加密并附帶循環(huán)冗余校驗 (CRC)），便可將器件置于安全狀態(tài)，同時使用配置存儲器中存儲的新配置覆蓋配置單元中存儲的原始配置。

傳統(tǒng)器件：IGLOO2 FPGA

IGLOO2是出色的綜合型中低端FPGA。許多設計人員認為這些器件是“傳統(tǒng)”FPGA器件。這些閃存FPGA器件非常適合執(zhí)行通用功能，例如千兆位以太網(wǎng)或雙PCI Express控制平面、橋接功能、輸入/輸出 (I/O) 擴展和轉(zhuǎn)換、視頻和圖像處理、系統(tǒng)管理以及安全連接。應用范圍非常廣泛，包括通信、工業(yè)、醫(yī)療、國防和航空。

圖2：IGLOO2 FPGA非常適合執(zhí)行通用功能，例如千兆位以太網(wǎng)或雙PCI Express控制平面、橋接功能、I/O擴展和轉(zhuǎn)換、視頻和圖像處理、系統(tǒng)管理以及安全連接。（圖片來源：Microchip Technology）

IGLOO2 FPGA提供5,000至150,000個LE（邏輯單元），具有高性能存儲子系統(tǒng)、高達512KB 的嵌入式閃存、2 x 32KB的嵌入式靜態(tài)隨機存取存儲器 (SRAM)、兩個直接存儲器訪問 (DMA) 引擎以及兩個雙倍數(shù)據(jù)速率 (DDR) 控制器。這些器件還有多達16個收發(fā)器通道、集成DSP處理器塊和抗/耐單粒子翻轉(zhuǎn) (SEU) 的存儲器。為了安全起見，器件進行了差分功率分析 (DPA) 加固，并使用AES256和SHA256加密以及按需NVM數(shù)據(jù)完整性檢查。

IGLOO2器件的典型例子是M2GL025-FGG484I，它有27,696個LE、1,130,496位RAM和267 個I/O。為使設計人員能夠研究和試驗IGLOO2 FPGA系列的特性，Microchip還推出了相應的IGLOO2評估套件M2GL-EVAL-KIT（圖3）。

圖3：M2GL-EVAL-KIT是用于IGLOO2的評估套件，功能集成度高，具有低功耗、高可靠性、高級安全性等特性。（圖片來源：Microchip Technology）

M2GL-EVAL-KIT有助于輕松開發(fā)嵌入式應用，涉及電機控制、系統(tǒng)管理、工業(yè)自動化和高速串行I/O應用、PCI Express和千兆位以太網(wǎng)。該套件具有很高的功能集成度，并提供低功耗、高可靠性、高級安全性等特性。該板也采用小巧尺寸、兼容PCIe的結(jié)構(gòu)，開發(fā)人員利用任何帶有PCIe槽的臺式PC或筆記本電腦即可進行原型設計。

入門級SoC：SmartFusion2 SoC FPGA

SmartFusion2 SoC FPGA基于IGLOO2器件的傳統(tǒng)可編程結(jié)構(gòu)，并增加了32位硬處理器核。由于該處理器是Arm?Cortex?系列的主打產(chǎn)品，因此SmartFusion2系列為進入SoC FPGA世界提供了一個很好的切入點。

這些SoC FPGA提供5,000至150,000個LE和一個166兆赫茲 (MHz) Arm Cortex-M3處理器，并且包括嵌入式跟蹤宏單元 (ETM) 和指令緩存并帶有片上eSRAM與嵌入式NVM (eNVM)；還包括完整的微控制器子系統(tǒng)，并且配有CAN、TSE、USB等豐富的外設。

圖4：SmartFusion2 SoC FPGA提供5,000至150,000個LE和一個166MHz Arm Cortex-M3處理器，并且包括ETM和指令緩存并帶有片上eSRAM與eNVM；還包括完整的微控制器子系統(tǒng)，并且配有CAN、TSE、USB等豐富的外設。（圖片來源：Microchip Technology）

這些閃存SoC FPGA器件非常適合執(zhí)行通用功能，例如千兆位以太網(wǎng)或雙PCI Express控制平面、橋接功能、I/O擴展和轉(zhuǎn)換、視頻和圖像處理、系統(tǒng)管理以及安全連接。應用范圍同樣很廣，包括通信、工業(yè)、醫(yī)療、國防和航空。

SmartFusion2器件的典型例子是M2S025-FCSG325I，它有25,000個LE、256KB閃存、64KB RAM和一個166MHz 32位Arm Cortex-M3處理器子系統(tǒng)。為使設計人員能夠研究和試驗SmartFusion2 SoC FPGA系列的特性，Microchip還推出了相應的SmartFusion2創(chuàng)客開發(fā)板M2S010-MKR-KIT（圖5）。

圖5：SmartFusion2創(chuàng)客開發(fā)板是用于SmartFusion2 SoC FPGA的低成本評估套件，它將Arm Cortex-M3處理器與基于閃存的FPGA結(jié)構(gòu)結(jié)合在一個芯片上，另有許多由SoC用戶慣常使用的外設，例如RAM和DSP塊。（圖片來源：Microchip Technology）

低成本SmartFusion2創(chuàng)客開發(fā)板由Digi-Key Electronics獨家銷售，為設計人員使用SmartFusion2系列提供了便利。這一特別的設備提供了一個基于閃存的FPGA架構(gòu)，具有12,000個LE、一個32位166MHz Arm Cortex-M3處理器、DSP塊、SRAM、eNVM和GPIO接口，所有元件全都集成在單個芯片上。

SmartFusion2創(chuàng)客開發(fā)板附加了以太網(wǎng)接口、環(huán)境光傳感器、SPI閃存、八個用戶LED和兩個用戶按鈕。該板還有兩個無載但已布局好的連接，支持ESP32和ESP8266Wi-Fi/藍牙模塊（不包括在內(nèi)）。它支持通過USB端口進行JTAG編程、UART通信和為電路板供電。此外，該板還有SPI閃存、50MHz時鐘源和Microchip的VSC8541物理層 (PHY)，后者支持100Mbps或1Gbps以太網(wǎng)。

高性價比器件：PolarFire FPGA和SoC FPGA

PolarFire FPGA是成本經(jīng)過優(yōu)化且采用28nm工藝技術(shù)實現(xiàn)的高性能器件。這些器件提供中等密度，但功耗最低，并具有高度的安全性和可靠性。

該產(chǎn)品系列涵蓋100,000到500,000個LE，具有12.7Gb收發(fā)器，設計功耗最多比同類中端FPGA低50%。這些器件非常適合有線接入網(wǎng)絡和蜂窩基礎設施、國防和商業(yè)航空航天市場以及工業(yè)自動化和物聯(lián)網(wǎng)市場中的廣泛應用。

圖6：PolarFire FPGA具有100,000到500,000個LE和12.7Gb收發(fā)器，設計功耗最多比同類中端FPGA低50%。（圖片來源：Microchip Technology）

PolarFire FPGA的總功耗比同類FPGA降低多達50%的主要原因是，片上配置存儲器和片上配置單元均采用NVM技術(shù)。這使得配置單元之間的漏電流非常低。另外，這也意味著這些器件在上電時也能真正地“即時啟動”，從而不會產(chǎn)生浪涌電流，配置電流也為零。

網(wǎng)絡安全是網(wǎng)絡邊緣互連器件的首要考慮因素，因此對于開發(fā)人員而言，僅滿足設計的功能要求是不夠的，還要確保安全。安全性始于芯片制造，并一直持續(xù)到系統(tǒng)部署和運行。Microchip推出的PolarFire FPGA是業(yè)界最先進的安全可編程FPGA。

許多針對復雜電子設備的應用在設計中都有一定程度的安全要求。PolarFire FPGA專為高可靠性、高可用性的安全和任務關(guān)鍵型系統(tǒng)而設計，適用于工業(yè)、航空、軍事、通信等應用。PolarFire 之所以適合這些應用，是因為具有如下特性：

? 零失效率 (FIT) FPGA配置
? 抗SEU存儲器
? 具有單錯誤糾正、雙錯誤檢測 (SECDED) 功能的存儲控制器
? 內(nèi)置自檢
? 無需外部配置器件

PolarFire器件的典型例子是MPF100T-FCSG325I，它有109,000個LE、7,782,400位RAM和170個I/O。為使設計人員能夠研究和試驗PolarFire FPGA系列的特性，Microchip還推出了相應的PolarFire FPGA評估套件MPF300-EVAL-KIT（圖7）。

圖7：為使設計人員能夠研究和試驗PolarFire FPGA系列的特性，Microchip還推出了相應的MPF300-EVAL-KIT FPGA評估套件。（圖片來源：Microchip Technology）

MPF300-EVAL-KIT可針對各類應用提供高性能評估。它非常適合用于高速收發(fā)器評估、10Gb以太網(wǎng)、IEEE1588、JESD204B、SyncE、CPRI以及其他應用。套件連接包括高引腳數(shù) (HPC) FPGA夾層卡 (FMC)、大量SMA、PCIe、雙千兆位以太網(wǎng)RJ45、SFP+和USB。PolarFire FPGA具有300,000個LE、DDR4、DDR3和SPI閃存，可用于開發(fā)廣泛的高性能設計。

PolarFire產(chǎn)品線仍在進一步發(fā)展。在撰寫本文時，Microchip Technology披露了有關(guān)即將推出的PolarFire SoC FPGA系列的詳細信息。該系列將擁有經(jīng)過強化且支持Linux、基于開源64位RISC-V的實時微處理器子系統(tǒng)。

使用Microchip Technology的FPGA進行設計與開發(fā)

最常用的FPGA開發(fā)技術(shù)之一是語言驅(qū)動設計 (LDD)。這涉及使用Verilog、VHDL或SystemVerilog等硬件描述語言 (HDL)，在抽象級別（即寄存器傳送級 (RTL)）上捕獲設計意圖。通過邏輯仿真進行驗證之后，該表達式將連同目標FPGA類型、引腳分配和時序約束（例如最大輸入到輸出延遲）等其他信息一并傳輸至合成引擎。合成引擎輸出配置文件，對于Microchip FPGA或SoC FPGA，配置文件直接加載到FPGA中，而對基于SRAM的器件而言，配置文件則是加載到外部存儲器件中（圖6）。

圖8：通過邏輯仿真進行驗證之后，RTL設計描述將與FPGA類型、引腳分配和時序約束等其他設計細節(jié)一并傳輸至合成引擎。合成引擎輸出的配置文件直接加載到FPGA中。（圖片來源：Max Maxfield）

Microchip的Libero SoC設計套件屬于此類工具。該軟件提供了一套全面的易學易用的集成開發(fā)工具，支持使用Microchip的IGLOO2和PolarFire FPGA以及SmartFusion2和PolarFire SoC FPGA進行設計。該套件將行業(yè)標準Synopsys Synplify Pro綜合、Mentor Graphics的ModelSim仿真與約束管理、編程和調(diào)試工具、安全生產(chǎn)編程支持集成在一起。

除了使用Verilog、VHDL或SystemVerilog以文本格式捕獲設計之外，該套件還包含圖形輸入功能，可以將系統(tǒng)定義為連接塊的層次結(jié)構(gòu)，較低級的塊以用戶定義的HDL或第三方IP表示。

另外，還有System Builder，它是一種易于使用的設計工具，可引導用戶解決一系列高級問題來定義目標系統(tǒng)。System Builder首先詢問有關(guān)目標系統(tǒng)架構(gòu)的問題，然后添加需要在可編程結(jié)構(gòu)中作為軟內(nèi)核實現(xiàn)的所有其他外設，最后創(chuàng)建一個“設計即正確”的完整系統(tǒng)。

最后但并非最不重要的一點是SoftConsole集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)；對于Microchip的FPGA和SoC FPGA中實例化的32位軟處理器，以及SmartFusion2和PolarFire SoC FPGA中的32位和64位硬處理器內(nèi)核來說，該IDE有利于快速開發(fā)裸機和基于RTOS的C/C++軟件。

總結(jié)

最佳處理設計解決方案常常是由處理器與FPGA的組合提供，或由FPGA單獨提供，或以硬處理器內(nèi)核作為部分結(jié)構(gòu)的FPGA提供。作為一項技術(shù)，F(xiàn)PGA多年來發(fā)展迅速，能夠滿足靈活性、處理速度、功耗等多方面的設計需求，非常適合智能接口、機器視覺和AI等眾多應用。

如本文所述，Microchip Technology的FPGA和SoC FPGA產(chǎn)品范圍覆蓋中低端，以具有優(yōu)異可靠性的低功耗、高安全性器件為主。這些FPGA具有強大的信號處理和存儲器資源，是在通信、工業(yè)、軍事、航空等行業(yè)中開發(fā)硬件加速、人工智能、圖像處理、邊緣計算等應用的出色平臺。

編輯：hfy