可配置平台：殊途同归可配置平台：殊途同归作者:穆强，EDN CHINA 执行主编 尽管实现的方法各有差异，但是设计界努力的目标是一致的，即寻求一种能够满足功能性要求，又能够保持足够灵活性的可配置设计平台。在 FPGA 诞生后的头十年中，它与 ASIC 所服务的市场可以说是泾渭分明，大家过得也算是相安无事。可是后来，尤其是最近的五年中，工业界的价值标准发生了深刻的变化：主频和线宽不再成为衡量一件产品优劣的唯一指标，倒是“面市时间”这个反映实现能力的词汇常常挂在人们嘴边。也就是说，工业界对于设计响应市场变化的灵活性提出了更高的要求。恰逢此时，经济衰退中半导体工艺升级步伐的减缓将ASIC 拖入了高成本的泥潭，因此以 FPGA 为代表的可编程技术越发显现出它的“侵略性”，不断在应用市场中攻城掠地，蚕食 ASIC 的市场空间。虽然关于“ASIC 和 FPGA 采用谁”的争论由来已久，但归根结底就是设计界希望在功能性和灵活性之间找到一种均衡，达到“鱼和熊掌兼得”的境界。在对这两“性”有着鲜明需求倾向的领域，选择谁自不必说，因此大家争夺的焦点就落在了要功能性和灵活性兼顾的“中间地带”。在过去的几年中，我们已经看到了ASIC 和 FPGA 两个阵营为此进行的努力。从现在的形势上看，ASIC 阵营的步伐似乎要慢半拍，他们的努力大多还是集中在对 ASIC 产品制造及升级成本的削减方面，结构化 ASIC 的出现就是一个例子（参见附文从 ASIC 逼近）。而目前市场中比较成熟的、符合“不大改动系统平台的情况下具有改变系统特性和行为的灵活性”定义的可配置设计平台，大多来自于 FPGA 厂商。目前设计界在“可配置平台”的实现上，基本上是因循着“微处理器+可编程逻辑”的思路进行的。那么不同可配置平台间的差异性，很大程度上就体现在对微处理器和可编程逻辑的设计和选择上。硬核平台硬核平台面对广大的嵌入式应用，CPU 往往是系统最终性能表现优劣的关键。因此 FPGA 厂商往往会选择在FPGA 中集成硬核 CPU 以及其他外围模块的方式，创造出一种满足高性能应用的器件类型。在硬核 CPU 的选用上，Xilinx 公司采用的是 PowerPC 405，这是一个 32 位 RISC 核，将其集成在Xilinx 的 Virtex- Pro 器件中后，工作频率可以达到 400MHz，性能超过了 600DMIPS，这一出众的性能使 Virtex- Pro 受到网络电信、音视频处理等高端应用的青睐。与 Xilinx 不同，另一家 FPGA 厂商 Altera 公司在设计基于硬核的可配置平台时，选用了公开授权的ARM922 架构，这是一个主频可以达到 200MHz 的 32 位 RISC 内核，它与 Altera 的 APEX FPGA 架构集成后形成了被称为 Excalibur 的系列器件，根据可编程逻辑密度和外围模块的不同 Excalibur 共有三个型号。Altera 公司 IP 业务部副总裁 Craig Lytle 表示，Excalibur 器件是专门针对喜欢采用 ARM 指令集架构(ISA)并寻求完整的处理器次系统来充当主处理器的客户设计的，而且他坚定的认为，与 PowerPC 相比，作为可配置平台的 CPU 硬核，ARM 是一种更有前途的架构，这是因为“ARM 的 AMBA 总线架构是事实上的行业标准，很多 IP 供应商已将 AMBA 总线架构标准化”，这对于平台功能的扩展与升级是十分关键的。尽管业内存在不同的声音，Xilinx 仍然对它的基于 PowerPC 的产品线充满信心。到目前为止，Xilinx已经付运的 PowerPC 内核超过了 10 万，而且在 PowerPC 技术的推广上它依然在奉行着一种“强硬”的市场策略，即在几乎所有的 Virtex- Pro 器件中都加入 PowerPC 内核，此举的意义在于只要是使用 Virtex- Pro FPGA 产品的客户，不论其现在的设计需要微处理器内核与否，都成为了基于 PowerPC 平台的潜在的使用者。根据 Gartner 的测算，目前在 Xilinx 超过 10 万的客户中，大约有 2.6%的客户具有“激活”PowerPC 内核的设计工具，有 1.3%的客户已经在从事基于 PowerPC 的设计。可以说，这是目前最大的基于硬核的可配置平台开发社区。表 1，基于 FPGA 的主流可配置平台不过在 Xilinx 公司对 PowerPC 信心十足之时，一个微妙的变化值得留意今年 3 月，Xilinx 收购了一家名为 Triscend 的芯片公司，该公司曾经推出一款被称为 CSoC（Configurable System-On-Chip，可配置系统级芯片）的器件，其采用的也是一种“微处理器+可编程逻辑”的架构，而其中的 CPU 内核选用的是 ARM7TDMI。对于这次并购，Xilinx 公司亚太区高端产品市场经理梁晓明先生的解释是“两家公司在技术上的联姻可以为 Xilinx 公司进入潜力巨大的嵌入式市场提供支持”，但这背后的潜台词是否是“Xilinx也在考虑在可配置设计平台中引入 ARM 架构”呢？让我们拭目以待。Triscend 公司在被收购后，其 CSoC 产品线及既有客户的支持交由其原先在中国的代理北京矽正电子技术有限公司（Zylogic Semiconductor Corp.）运作。CSoC 也是一种市面上可见到的硬核可配置平台产品。虽然在架构上与刚才介绍的 FPGA 厂商推出的平台产品如出一辙，但在器件设计的理念上还是存在一些差异。总体来说，两者最大的差别就在于 FPGA 厂商产品设计的出发点还是在可编程逻辑部分，而 CSoC 平台则会更倾向于微处理器一边，这就给器件中可配置功能的定义与划分，以及开发工具的设计带来差异。矽正电子大客户经理王起龙在分析 CSoC 平台特点时指出，与 FPGA 公司的硬核平台比较，两者最显著的差异是在系统总线上。CSoC 平台在总线上采用了一种 Selector 技术，就是通过特制的ASIC 电路进行硬件译码，而 Xilinx 的产品中译码的功能是需要占用系统可编程逻辑资源完成的，因此在这方面 CSoC 平台具有更高的效率。这种以微处理器为核心的“倾向性”似乎更适合于嵌入式应用，CSoC平台当初主攻的市场就是工控领域，由此也就不难分析出 Xilinx 对 Triscend 公司的兴趣所在了。图 1，由前 Triscend 公司推出的 CSoC 器件中集成了一个 ARM7TDMI 芯核，其 ASIC 的成分与可编程逻辑电路对硅资源的占用比例基本上是根据“二八”原则设置的。软核兴起软核兴起基于硬核的可配置平台固然有很多优势，但它在灵活性上还是受到了制约。道理很简单：一旦你在某个型号的 FPGA 中加入了一个硬核 CPU，硬核 CPU 也就将其“不灵活”的属性带给了这个平台CPU过时了，也就意味着平台过时了。因此，如果想追求更大限度的灵活性，设计者可以选择在 FPGA 中“写”入一个软核，而不是“固化”一个硬核。相对于基于 ARM 的硬核平台 Excalibur，Altera 公司的 Nios 系列软核 CPU 似乎名气大得多。自 5 年前推出 16 位 Nios 软核 CPU 后，Altera 公司已经售出了超过 13000 套 Nios 设计工具软件。在市场激励下，今年他们又推出了 32 位嵌入式 RISC 处理器 Nios，它具有 200DMIPS 的性能，据称与第一代Nios 相比器其在计算性能上翻了一番，而占用的 FPGA 资源却下降了 50%。根据不同的需要，Nios分为快速型、经济型和标准型三个版本，这就给开发者更加多样化的选择。比如说，如果要寻求一种低成本的解决方案，Altera 公司会推荐你在 Cyclone FPGA 器件中采用经济型的 Nios/e 内核，它只占用600 个逻辑单元（LE），一个 Nios/e 处理器折算下来的硅资源成本只有 0.35 美分。同时，Altera 公司几种主力 FPGA 平台，如 Stratix、Stratix、Cyclone、Cyclone，以及结构化 ASIC 产品 Hardcopy 都对 Nios提供支持，足见 Altera 公司对其给予的厚望。Xilinx 公司所提供的软核 CPU 包括 PicoBlaze 和 MicroBlaze 两种。其中 PicoBlaze 是一个 8 位微控制器内核，与它配套的可编程器件有 Virtex、Spartan 系列 FPGA 和 CoolRunner -CPLD，这是明显的针对低成本应用的解决方案。而 MicroBlaze 是一款 32 位 RICS 处理器，为了实现高性能它采用了Harvard 独立 32 位指令和数据总线，在 Virtex-II Pro 中可以实现 123DMIPS 的性能，工作频率可以达到150 MHz。在 Xilinx 公司的策略中，基于 MicroBlaze 软核的可配置平台与基于 PowerPC 的硬核平台是同等重要的，Xilinx 公司认为由于两者在性能上有所差异，因此可以有效地覆盖不同市场的需求。同时，由于MicroBlaze 与 PowerPC 同样支持 CoreConnect 总线，因此可以共享很多 IP 资源，而且双方还可以同时在 Virtex-II Pro 中使用，构成一个多核系统。显然，Altera 公司的策略与之不同，它是希望通过 Nios 系列 CPU 自身版本间的差异与不同档次可编程器件之间的组合，为客户提供多层次的选择。而且 Altera 公司的 Craig Lytle 明确表示，他们认为未来基于软核的可配置平台的前景将好于硬核系统，这是因为“软核处理器的灵活性能够提供平台特性、成本和性能的完美结合。同时通过自定义指令、硬件加速、用户化开关设置和不同的处理器性能，设计者能达到任何性能目标；而硬核处理器的优势将随着每一次科技进步逐渐缩小。”不过，应用需求多元化的局面将会成为各种可配置平台长期存在的理由。矽正科技的王起龙分析认为，在工控这种对于可靠性要求比较高的领域，太“软”的架构显然不合适，因此他们的 CSoC 平台就是要在软、硬之间找到一个生存的平衡点。而除了以上提及的软核平台，Actel 公司推出的 Platform8051 预校验、可配置平台也是值得关注的技术点。顾名思义，该平台集成了一个与 8051 指令集兼容的 8 位处理器核 Core8051，可以在 40MHz 以上的频率工作。同时 Actel 在 Platform8051 平台中还提供了多种外围接口 IP 核，使平台具有良好的扩展性。虽然与 Xilinx 和 Altera 的平台相比，Platform8051 显得有些单薄，但它的性能定位与某些中低端可配置应用显然十分吻合。从这点也可以看出，可配置平台应该说是一门应用驱动的技术。引入模拟引入模拟如果我们再拓宽自己的视野，就会发现，可配置平台的概念赋予设计者的不仅仅是在软、硬之间实现一种柔性；它的含义应该是，尝试着去改变所有需要配置的、且你有能力去配置的因素。Cypress MicroSystem 公司推出的 PSoC（Programmable System-On-Chip，可编程系统级芯片）平台就体现出了这样一种尝试。它采用的 CPU 内核是从 Cypress MicroSystem 公司 M8 USB 控制器派生出来的成熟内核，由于该公司同时也是一个 CPLD 供应商，因此平台中的可编程逻辑部分自然由此而来。但如果 PSoC 的功能仅限于此，那么凭借其 24MHz/4MIPS 的 CPU 资源和密度有限的 CPLD 逻辑单元，是很难与那些出自 FGPA“豪门”的可配置平台相提并论的；但 PSoC 的迷人之处在于它提供的是一种“数字+模拟”的混合信号可配置系统，也就是说，Cypress MicroSystem 公司将可配置模拟技术的概念引入了平台之中。按照有关资料的介绍，在 C