在FPGA中实现MCU内核的快速运行

来源:jsp发布时间:2019-03-28451浏览

有时，微控制器本身可以完全吸收设计的所有功能要求。对于绝大多数嵌入式系统设计而言，编程良好，高度集成的嵌入式处理器是工程师可以使用的最具成本效益，功效最高，速度最快的解决方案。

当原始性能至关重要时，捕获的逻辑专用硬件可实现最高性能。例如，定序器可以比软件中实现的相同逻辑快一个数量级。由于分立逻辑器件占用大量空间和功率，因此添加FPGA是一种可行的替代方案。在许多情况下，FPGA和微控制器的组合是一个很好的解决方案。当微控制器在FPGA的逻辑中实现时，可以实现更密集的解决方案。作为硬编码的宏，或者在每个新设计中被替换和布线的软宏，整个微控制器吸收到FPGA的房子不仅可以产生最高的密度，而且可以产生最大的灵活性，特别是如果你足够勇敢地修改核心以提高性能。本文着眼于在现有FPGA中快速运行的微核。这些可以从各种获得，包括开放和封闭，免费和IP许可。

比原始版本更好

可以使用传统架构和专有架构，每种架构都有优势。传统内核与传统微处理器兼容，并提供熟悉的体系结构。您公司生产的产品可以使用已经过测试和验证的代码。当需要下一代产品甚至是新的改进模型时，组织良好且可靠的代码库的可重用性可以节省大量时间。

几种流行的内核已经以原始逻辑形式实现了各种各样的FPGA系列包括诸如Microchip PIC，Intel 8051，Atmel AVR，Motorola 6502，Intel 8080和Zilog Z80微控制器等处理器。一个不那么明显的优点是能够改进初始化建筑。如果时间和资源允许，可以克服缺点，因为您可以修改设计。例如，非常流行的8051架构最初采用有序架构，每条指令需要12个时钟周期。精确的传统实现可以反映初始功能，或者可以实现更现代的风格，减少每条指令的时钟周期数。

改进的8051 IP内核也可用于跨平台开发。 R8051XC2-BF核心?可用于ASIC或Xilinx和Altera FPGA;它通过添加第二个数据指针(初始设计的缺点)和JTAG调试接口(图1)改进了初始设计。

图1：传统核心的商业可用实现通常会改进初始的离散设计。这个8051内核每个指令运行一个时钟，并添加JTAG和第二个数据指针。

ARM内核虽然许多设计可以使用8位内核，但现代功能可能需要更高的总线宽度来简化处理。如果您正在操作24位宽的图形数据，则单个32位传输比三个8位传输更有效。

最流行的32位架构也许是ARM?Cortex?，令人惊讶的是，它已成为FPGA实现的流行且受到良好支持的架构。从面积和功耗角度来看，ARM Cortex非常高效。可扩展的架构得到众多工具和开发套件的很好支持，以及外围设备，内存管理，数学和DSP功能的开源代码。

ARM内核的一个很好的特性是它们不属于一个FPGA制造商，可以在不同制造商的设备上实现。这意味着随着设计的发展或需求的变化，您不会被锁定在一个供应商中。另一个好处是，架构可以从更简单，功能更少的Cortex M0扩展到非常高端的多核A8和A9风格。此外，还具有经过赛道验证的驱动程序和堆栈，可用于高端外设，如USB，以太网，Wi-Fi，ZigBee，蓝牙等。

Xilinx系列产品是嵌入式微核的大支持者，而ARM架构也不例外。像XC5VLX50-1FFG676C这样的器件是XilinxVirtex?5系列的一部分，它是一个非常大，密集，高端的FPGA的例子，它可以在芯片上安装一个快速而密集的系统。 550 MHz器件具有440个I/O和超过46，000个逻辑模块，不仅支持ARM内核功能，还支持高达72位宽的存储器宽度，流水线操作，FIFO，具有高达16.4 Mbits内部块存储器的双端口存储器和DSP功能。

Microsemi是另一家提供ARM内核支持的FPGA制造商，ProASIC3系列是一款优秀的目标技术，具有令人印象深刻的低端到高端逻辑，I/O，RAM和门数15，000到3，000，000。一个很好的例子是A3PE3000-FGG484具有341个I/O和516 Kbits的内部RAM。

Altera具有可比较的部件，如EP3SL50F780C4N，它同样支持ARM核心处理器，并为DDR，DDR2，DDR3，SDRAM提供内存支持更多，最多24个模块化I/O bank，448 I/O(系列中最多744个)。作为Stratix?III系列的成员，Altera可以访问Altera Mega-Function合作伙伴计划(AMPP)，以获取可用的外设，内核和支持。 Altera还通过其Altera MegaCore功能支持多种知识产权(图2)。

图2：高端32位ARM架构是许多FPGA的流行核心。该Altera版本增加了多核调试和跟踪功能，简化了单个FPGA内多个实例化处理器内核的设计。

专有内核

除了行业标准的微控制器内核外，FPGA制造商还提供专有内核，这些内核具有非常高的逻辑效率，可扩展至8至32位的性能水平。这些供应商的关键不是在不需要的功能和外围设备上浪费逻辑;经常缩减，实现了裸机处理单元，以提供基本的可编程性和FPGA内部大型逻辑池的接口。这不仅可以让内核快速运行，而且还可以保持它们足够小，以便在SoC内部创建自己的双核，四核甚至八核处理器。

Xilinx指定Blaze这样的内核，可以同时使用PicoBlaze和MicroBlaze口味。 PicoBlaze是一种8位RISC架构，具有高达240 MHz的性能。它主要设计用于VHDL设计流程，并作为VHDL源文件提供。一旦在13个不同的Xilinx系列中实现，它就不需要外部元件，完全在主机部分内部运行。

支持的系列包括Kinetex-7，Artix-7，Virtex(4，5，6，7，II-Pro) )和Spartan?(3和6)。从资源和复杂性的角度来看，PicoBlaze是Spartan(双关语)。它具有一个16 x字节宽的通用数据寄存器，1K可编程片上程序存储器(在FPGA配置期间自动加载)，一个带有CARRY和ZERO指示器标志的字节宽运算逻辑单元(ALU)，64字节内部暂存器RAM，256个输入和256个输出端口，便于扩展和增强。另一方面，它具有可预测的性能，每条指令总是两个时钟周期，高达240 MHz(或Virtex-4中的100 MIPS) FPGA)和88 MHz(或Spartan-3 FPGA中的44 MIPS)。 PicoBlaze对Xilinx用户免费提供，并附带汇编程序和VHDL源代码。

高端是Xilinx MicroBlaze。这是一个32位RISC Harvard架构软核处理器内核，具有32个通用32位寄存器，ALU，针对嵌入式应用优化的丰富指令集，三级MMU/MPU支持等。

灵活性该核心(图3)允许您选择性能优化的五级流水线，使用Kinetix-7系列(例如XC7K70T-1FBG676C)或3级流水线区域优化版本可实现高达317 DMIPS在Xintex-7或Virtex-6和7系列器件(如XC6VLX130T-1FFG784C)上仍然可以达到令人尊敬的264 DMIPS。