在FPGA中置入可配置的32位处理器增加设计灵活度 研究报告, 处理器, 服务器, 控制器, 存储器

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嵌入式系统与桌面PC结构非常不同，但其底层技术发展却是一样的，而且遵循着类似发展趋势。当桌面PC转向64位架构来满足不断增长的存储器要求时，嵌入式系统也由于同样的原因快速转向32位处理器。桌面/服务器计算市场主要是围绕x86架构，大多数创新和差异都在系统级，如双核、四核或多核中央处理架构、集成图像处理器单元和存储器控制器等等。同样，嵌入式系统则主要围绕简单的32位RISC处理器，多核架构、集成外设以及可配置处理等系统级发展，使得设计人员能够快速适应不断变化的应用要求。　　根据iSuppli的研究报告，2007年32位微控制器(MCU)市场将超过8位MCU市场。如图1所示，32位MCU市场的增长速度超过了半导体市场其它部分的增长速度，而8位MCU市场的份额过去几年时间里则有所下降。
　　这一趋势的主要推动力是嵌入式系统中软件内容和复杂性的不断增加，因此直接产生的后果是需要更宽的存储器总线(32位)来满足软件程序所使用的代码和数据要求。与传统微处理器不同，32位处理器不需要分段等存储器管理技巧就可以处理更大的存储器空间，因此使编程更容易。8位MCU必须采用难学难用的汇编语言
来满足小存储器空间限制(少于32K字节)，而许多32位嵌入式应用则可以利用C/C++来编程，从而提高了嵌入式软件开发人员生产力。更为重要的是，越来越多的操作系统(实时和非实时)都提供现成的驱动程序和软件库，从而使软件开发人员能够集中于应用本身的开发。
　　集成降低成本
　　在摩尔定律的指引下，越来越细的硅工艺线宽使得32位嵌入式解决方案的成本不断降低，从而可以满足更多的应用对价格的要求。此外，集成外设和片上存储器进一步降低了元器件和总体材料清单成本。通过集成针对手机和游戏机等垂直应用而优化的外设，许多器件的价格大大降低，直接推动了市场增长。
　　价格压力还导致只能在这些系统中集成一组固定的外设，因此通常的外设组合是面向大批量应用的。然而，不可能有适用于所有应用的万能器件，因此许多小批量、中等规模甚至大批量应用都无法直接利用成品集成解决方案。其结果是设计人员必须采用额外的芯片来扩展外设、分流处理器的负担，或增加胶合逻辑。这也是可配置处理解决方案产生的原因。
　　可配置32位处理
　　根据Gartner Dataquest的报告，如图2所示，基于FPGA嵌入式处理方案的应用正在增长，到2010年，约40%的FPGA设计将包括嵌入式处理器。因为能够定制满足特定应用或产品的要求，嵌入系统设计人员正在越来越多地采用基于FPGA的可配置处理解决方案。这一方法的主要优点是可通过集成降低成本，同时还可实现产品在市场上的差异化。
　　通过选择同一FPGA系列中的不同器件，或者将设计重新适配到新的FPGA器件中，能够针对更高性能、更低成本、或者不同的I/O标准进行个性设计。这样可以降低设计过时的风险，从而保证设计是未来可用的。对于必须有长使用寿命的产品(如汽车或工业应用)，这是特别关键的一个因素。

图1：32位MCU市场的增长速度超过了其它类型的MCU的增长速度。
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图2：基于FPGA嵌入式处理方案的应用正在增长。
　　可配置处理系统的配置(或定制)的层面包括：
　　处理器配置
　　1. 乘法器、除法器、浮点单元以及其它。
　　2. 指令或数据缓冲配置。
　　3. 协处理器或硬件加速器。
　　系统配置
　　1. I/O外设选择、定制、DMA选择。
　　2. 存储器外设选择、定制。
　　应用配置
　　1. RTOS选择、定制。
　　2. 应用库/中间件定制。
　　许多产品都包括需要某种形式网络或通信接口的嵌入式系统。由于以太网成本低、几乎无处不在，并且可以利用TCP/IP等互联网协议连接互联网，因此以太网是目前在嵌入式产品中应用最广泛的网络接口之一。根据目标应用的不同，网络子系统的要求变化也相当大。简单的远程控制和监控应用只需要每秒数千比特的传输能力，而高端存储或视频应用则需要持续的千兆比特级的吞吐能力。
　　为简单起见，我们将使用TCP载荷吞吐能力做为性能比较的主要指标。表1列出了一些典型应用以及相应的TCP/IP载荷吞吐能力要求。
表一：不同应用的网络吞吐量要求