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  • 【技術分享】當MCU遇上FPGA會碰撞出怎樣的火花

    日期:2020-03-02 作者:潤欣科技創研社 返回列表

    MCU是Microcontroller的縮寫,中文翻譯是微控制器,可以簡單理解為集成在單一芯片上的微型計算機,它有運算器、控制器、存儲器、總線及其他外設,采用存儲程序執行的方式,對MCU的編程就是對其中的ROM寫入程序,系統上電后ROM中的程序會像計算機內存中的程序一樣得到逐條地執行。MCU相當于一個微型的計算機芯片,因此,也有地方把MCU稱為單片機。MCU用途比較廣,幾乎所有電子產品都可以找到MCU的身影。


    FPGA是Field Programmable Gate Array的縮寫,中文翻譯為現場可編程門陣列,它是在硅片上預先設計實現的具有可編程特性的集成電路,它能夠按照設計人員的需求配置為指定的電路結構,讓客戶不必依賴由芯片制造商設計和制造的 ASIC 芯片。廣泛應用在ASIC原型驗證、網絡通信、汽車電子、工業控制、航空航天、視頻監控、數據中心等領域。


    從以上描述來看,MCU和FPGA兩者之間的差異還是很大的。


    1、結構上的區別


    MCU是一種微處理器,類似于電腦CPU,通常采用哈佛總線結構,或者馮諾依曼結構,對單片機的編程很大程度上要考慮到它的內核架構(比如ARM內核)和各個寄存器的作用。FPGA的結構是基于查找表(LUT)的結構,LUT本質上就是一個RAM,FPGA中多使用4輸入的LUT,所以每一個LUT可以看成一個有4位地址線的RAM。當用戶通過原理圖或HDL語言描述了一個邏輯電路以后,FPGA開發EDA軟件會自動計算邏輯電路的所有可能結果,并把真值表(即結果)事先寫入RAM,這樣,每輸入一個信號進行邏輯運算就等于輸入一個地址進行查表,找出地址對應的內容,然后輸出即可。FPGA可以看作是純粹的數字電路,其程序不用考慮芯片的結構,自由度非常大。從 FPGA 內部結構來看,主要包括:可編程輸入/輸出單元(I/O)、可編程邏輯塊(LC)、 完整的時鐘管理(CMT)、嵌入塊式 RAM(BRAM)、布線資源、內嵌的底層功能單元和專用硬件模塊等。


    2、代碼的執行方式上的區別


    MCU無論是哈佛總線結構或者馮諾依曼結構均為取指到執行,指令是順序執行的(即使是中斷/異常,其發生后的中斷服務程序也是順序執行的);而FPGA是基于邏輯門和觸發器的,它是并行執行方式,沒有取指到執行這種操作。簡單來說,就是通過燒寫文件去配置查找表的內容,從而在相同的電路情況下實現了不同的邏輯功能,數字電路中所有邏輯門和觸發器均可以實現,它適合真正意義上的并行任務處理。FPGA程序在編譯后實際上是轉換為內部的連線表,相當于FPGA內部提供了大量的與非門、或非門、觸發器等基本數字邏輯器件,編程決定了有多少器件被使用以及它們之間的連接方式。通過編程,用戶可對FPGA內部的邏輯模塊和I/O模塊重新配置,以實現用戶的邏輯。它還具有靜態可重復編程和動態在系統重新配置的特性,使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改。只要FPGA規模夠大,這些數字器件理論上能形成一切數字系統,包括MCU,甚至CPU。因FPGA是純數字電路,在抗干擾和速度性能上有很大優勢。


    既然MCU和FPGA有如此大的差異,那么有沒有一些應用需要同時使用到MCU和FPGA呢?答案是肯定的。比如,有的應用同時需要有靈活的控制和外設接口(比如USB接口等),同時需要支持高速并行運算,如FFT等,那么就要考慮使用MCU+FPGA的系統架構,FPGA適合并行處理,性能可以比同樣主頻的MCU高出上百倍,一般MCU+FPGA異構架構都是把密集運算交FPGA,而MCU處理邏輯復雜的業務。這種MCU+FPGA系統往往要求開發人員不僅要熟悉MCU軟硬件開發,也需要熟悉FPGA的程序設計,更為關鍵的是能夠設計MCU與FPGA之間的數據交互模式,常見方式有并行總線方式,實現MCU與FPGA之間的通信,或者通過MCU對FPGA在線進行配置。典型的MCU+FPGA系統的產品案例,如下圖1:


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    圖1 MCU+FPGA架構的產品案例


    針對上述這樣的產品應用中同時需要使用MCU和FPGA的情形,今天就來詳細介紹我們的主角,它就是來自國產半導體廠商安路科技“小而美”的MCU+FPGA Soc – ELF2系列。ELF2內部包含了FPGA資源,并且內嵌了一個ARM Cortex-M3硬核IP及豐富的外設資源。


    FPGA資源包含LUT4/5混合邏輯架構,分布式RAM支持,16路全局時鐘,最大達670Kbits BRAM,15個18*18 DSP,LUT規模高達4480。如下圖2:


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    圖2 ELF2 Soc FPGA基本特性


    Cortex-M3 MCU內核最高主頻125MHz,4Mbit SPI Flash,48KB片上SRAM,QSPI接口支持內置/外置SPI Flash操作,集成Timer,WDT,DMA,UART,SPI,I2C,ADC,RTC等外設。MCU特性如下:


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    ELF2M45 Soc資源及其封裝:


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    安路科技ELF2 Soc系統框圖,如下圖3:


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    圖3 ELF2 Soc系統框圖


    根據LUT規模大小和RAM資源大小不同,ELF2系列有不同的型號,ELF2 Soc選型表如下表1所示:


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    表1 ELF2 Soc選型表


    ELF2的封裝形式也很豐富,一顆芯片可以實現由MCU和FPGA兩顆芯片實現的功能,大大簡化了系統設計,還節省了PCB面積。EFL2封裝形式如下表2所示:


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    表2 ELF2的封裝形式


    ELF2 Soc內部的MCU與FPGA有4種數據交互方式,用戶可以靈活選擇其中任何一種,如下圖4所示:


    1、  AHB Slave

    2、  共享SRAM(SRAM:32KByte)

    3、  高16個GPIO

    4、  16位用戶寄存器(MCU->FPGA)


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    圖4 ELF2 Soc MCU與FPGA交互方式


    ELF2 Soc軟件開發需要同時使用到安路科技自主開發的TD EDA軟件和ARM公司的Keil MDK軟件,安路科技提供大量的Demo演示示例程序供客戶參考和學習。ELF2 Soc軟件開發流程如下圖5所示:


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    圖5 ELF2 Soc軟件開發流程


    TD EDA軟件和ARM的Keil MDK軟件界面如下圖6所示:


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    圖6 TD EDA軟件和ARM的Keil MDK軟件界面


    為了方便用戶評估和學習,針對ELF2 Soc系列,安路科技特別推出了專用的開發板,如下圖7所示:


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    圖7 ELF2 Soc開發板


    最后,我想談談關于國產FPGA替代的觀點。


    全球 FPGA 市場在 5G 和 AI 兩大驅動因子下未來預計享有穩健增長,而目前國內 100 億人民幣市場中,國產廠商占比僅 4%,國產率極低,市場空間和潛力巨大;疊加中美貿易戰的因素,終端制造業特別是各個行業的頭部客戶正在尋求國產替代,避免全盤使用美國公司生產的芯片,國產替代進程有明顯加速的趨勢。FPGA行業技術門檻較高,產業比較集中,國產廠商替代增速有望顯著高于行業平均。國外三大FPGA廠家分別是Xilinx,Intel(收購原Altera)及Lattice,國內 FPGA 廠商主要有 8 家:安路科技、紫光同創、國微電子、成都華微電子、智多晶、廣州高云半導體、上海復旦微電子和京微齊力。國產FPGA廠商中,安路科技的FPGA產品有三大系列,分別是高端PHOENIX(鳳凰系列)、中端EAGLE(獵鷹系列)和低端ELF(精靈系列),數十款芯片。產品在核心架構、軟件算法和系統集成等方面擁有多項技術專利。值得一提的是,在EDA軟件能力方面,國內FPGA廠商目前只有兩家具有商用軟件全流程技術,安路科技就是其中一家,自主開發的全流程TD軟件系統和硬件芯片完美地結合在一起,提供了用戶從前端綜合到位流生成的完全開發平臺,而其他廠商都需要外購邏輯綜合工具。安路科技FPGA芯片已經成功應用到通信設備、工業控制、消費電子的部分領域。安路科技是國產FPGA廠商中綜合實力最強,最具競爭力的品牌之一,有望在國產FPGA替代及新市場開拓中繼續獲得越來越大的市場份額和高速的業績增長。


    由此可見,國產替代疊加行業增長及中美貿易戰等因素,國產FPGA廠商將進入增長快車道。潤欣科技作為安路科技的合作伙伴,如您有產品應用需要用到FPGA,不限于MCU+FPGA異構架構的產品,都可以與我們潤欣科技取得聯系,我們將竭誠為您服務,協助您加速產品上市時間,提升產品性價比。

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