[经验]

FPGA是嵌入式系统设计的理想选择

2018-7-30 18:38:01

2351 嵌入式

根据IEEE（国际电机工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（原文为devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。这主要是从应用上加以定义的，从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。

随着消费电子、物联网等领域的不断发展，用户需求也越来越复杂和多样，因此我们在嵌入式系统设计中必须选择合适的处理器（SoC）系统，当然我们也需要考虑成本、功耗、性能、I/O资源等方面，但是随着实践案例的增多FPGA越来越成为嵌入式系统设计的主流选择。

FPGA/SoC：最早我们都采用的是纯FPGA设计，利用FPGA的资源实现软核处理器比如Microblaze、Picoblaze等，现在Xilinx推出了Zynq SoC和Zynq UltraScale+ MPSoC系列，它们集成的是硬核处理器（双核ARM Cortex-A9 CPU或者Quad-A53+Dual-R5 GPU），这不仅带来了性能、功耗、性价比方面的改进，同时也减小的PCB尺寸；

功耗：Xilinx Zynq UltraScale+ MPSoC系列在之前纯FPGA器件的基础上的确进行了非常大的改进，它支持多种电源模式：Full-Power模式；Low-Power模式；Sleep模式，DRAM暂停；Power-Off模式，提供丰富灵活的电源管理方案，在性能和功耗两者之间灵活的切换；

模拟量处理：早在Virtex系列上就集成了ADC功能，但是这只限于监测器件内部的模拟量，比如电压、温度等。之后再7系列上集成了两个1Msamples/sec@12-bits ADC模块，支持内部和外部模拟量的采集，Zynq UltraScale+ RFSoC则集成了更高性能的ADCs/DACs模块：4Gsamples/sec@12 bits ADCs / 6.5Gsamples/sec@14 bits DACs，可应用于15G、雷达等领域。

安全方面：我们都知道FPGA的启动文件时比特流（bitstream）形式，Xilinx Zynq-7000 SoC和Zynq UltraScale+ MPSoC都支持加密的比特流，加载到处理器后进行安全解密启动。

开发工具：对于工程师来讲最重要的还是开发工具，好用的开发工具可以事半功倍。与Xilinx Zynq 7000系列同时推出的Vivado工具集成了丰富的功能：IP integrator（IPI）是一款图形化的IP设计插件；HLS（High Level Synthesis，高层次综合）支持工程师使用C/C++语言生成HDL功能代码。此外SDSoC则是一个完整的系统、软件和硬件设计工具，支持完全采用C/C++语言实现嵌入式系统软硬件功能开发，SDAccel则是一款基于OpenCL开发框架的设计工具。

由此可见FPGA/SoC供应商已经花费大量的精力来优化器件并且完善开发工具，使它们更易于应用到嵌入式系统设计中，同时我们的学习过程也会比过去更容易，在不远的将来FPGA/SoC将会获得更广泛的应用。