說(shuō)一說(shuō)

開始SoC FPGA的學(xué)習(xí)路程還是蠻難的，不僅要熟悉整個(gè)的設(shè)計(jì)流程，而且還要掌握FPGA以及軟件方面的知識(shí)，尤其大概看了一下后面的整體設(shè)計(jì)部分，操作起來(lái)還是較為繁瑣的，以至于讓人暈頭轉(zhuǎn)向。盡管如此，先了解一下SoC FPGA是什么，相對(duì)于SOPC、SoC有什么優(yōu)缺點(diǎn)，甚至常用在什么場(chǎng)景中還是比較輕松的，這些知識(shí)能對(duì)SoC FPGA嵌入式設(shè)計(jì)有初步的了解及認(rèn)識(shí)，將為后續(xù)具體的開發(fā)研究做鋪墊。

一、關(guān)于SoC

概念： SoC(System OnChip)為片上系統(tǒng)或系統(tǒng)級(jí)芯片，就是在單一芯片上集成處理器、存儲(chǔ)單元、圖像處理單元GPU、各種功能部件等，且都由一個(gè)中央控制單元通過總線來(lái)控制它們的工作。 優(yōu)缺點(diǎn)： 低功耗、高性能、高集成、高帶寬、設(shè)計(jì)復(fù)雜度較高、對(duì)知識(shí)的掌握要求更高。

二、關(guān)于SOPC

概念：

SOPC為片上可編程系統(tǒng)（System On a Programmable Chip），將處理器、存儲(chǔ)器（RAM、ROM或閃存）及各種功能模塊等集成到一片F(xiàn)PGA中，其處理器為軟核處理器，即采用FPGA的通用邏輯資源和存儲(chǔ)單元來(lái)搭建軟核CPU。典型的則是Altera的Nios II 嵌入式軟核處理器。

簡(jiǎn)言之，SOPC就是軟核處理器+FPGA，并用Avalon總線來(lái)通信。

優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：由于它的處理器CPU是由FPGA的通用邏輯資源搭建，因此該處理器更靈活，可裁剪可定制，還可添加多個(gè)CPU，以實(shí)現(xiàn)多核系統(tǒng)的搭建，進(jìn)而完成多核CPU的協(xié)調(diào)工作；還能靈活為CPU增添外設(shè)（UART，SPI，IIC 等）；

缺點(diǎn)：由于處理器是由FPGA的通用邏輯資源搭建，因此占用更多FPGA的資源，另外搭建出來(lái)的處理器運(yùn)行的最高時(shí)鐘主頻也更低一些（最高160/170MHz），所以SOPC方案僅適用于對(duì)處理器整體性能要求不高的應(yīng)用，通用性不強(qiáng)。

三、關(guān)于SoC FPGA（Intel Cyclone V SoCFPGA)

概念：

SOC FPGA高集成度芯片是在同一個(gè)芯片上集成FPGA和HPS（HardwareProcessor System）系統(tǒng)，即FPGA+硬核處理器。

Intel Cyclone V SoC FPGA ：是在單一芯片上集成了雙核的 ARM Cortex-A9 處理器和FPGA的新型 SoC 芯片，主頻可達(dá)到925MHz，所以它能同時(shí)擁有ARM和FPGA的優(yōu)勢(shì)。二者之間用高達(dá)128 位數(shù)據(jù)位寬的 AXI 高速總線進(jìn)行通信。 優(yōu)缺點(diǎn)：

SOC FPGA擁有ARM 硬核處理器靈活邏輯控制、圖形界面顯示和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)，而且還能運(yùn)行成熟的 Linux 操作系統(tǒng)，同時(shí)還擁有 FPGA 高速流水并行處理、可靈活定制、豐富I/O單元等優(yōu)勢(shì)； 由于FPGA和ARM之間采用片上高速互聯(lián)結(jié)構(gòu)（AXI），AXI總線可根據(jù)具體的需求進(jìn)行配置（128位/64位/32位），另外使用時(shí)可以將 FPGA 上的通用邏輯資源進(jìn)行配置，從而映射為 ARM 處理器的一個(gè)或多個(gè)具有特定功能的外設(shè)，從而添加了一個(gè)符合特定需求功能的模塊。 SoC FPGA的HPS 部分可運(yùn)行成熟的 Linux 操作系統(tǒng)，并提供了統(tǒng)一的系統(tǒng) API，相對(duì)來(lái)說(shuō)，能降低開發(fā)者的軟件開發(fā)難度。工作的時(shí)鐘頻率也比軟核處理器更高，因此可單位時(shí)間內(nèi)能夠執(zhí)行更多的指令。 雖然SoC FPGA兼具了硬核處理器及FPGA的優(yōu)勢(shì)，但也對(duì)開發(fā)者提供了個(gè)更高的要求，不僅要有Verilog代碼能力，而且還需要有軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，還需掌握基礎(chǔ)的Linux系統(tǒng)知識(shí)，但Linux的加入并不像所想的增加知識(shí)量及操作難度，相反地，可以降低我們的開發(fā)難度。 常見應(yīng)用場(chǎng)景：

視頻監(jiān)控（高清視頻分析）、自動(dòng)輔助駕駛（視頻處理分析、通信）、國(guó)防航天（夜視、保密通信）、廣播（視覺、專業(yè)音頻、PCIe采集）等要求低功耗、低成本、輕量化的應(yīng)用領(lǐng)域中，距離我們更近的就是智能手機(jī)、智能車載、物聯(lián)網(wǎng)等市場(chǎng)中的應(yīng)用。

四、SoC FPGA和獨(dú)立的FPGA系統(tǒng)對(duì)比

FPGA實(shí)現(xiàn)的是硬件邏輯功能，有著高速流水并行處理架構(gòu)、豐富I/O單元和功能模塊復(fù)用的優(yōu)勢(shì)，非常適合做圖像預(yù)處理中濾波等重復(fù)性的操作，但當(dāng)需要用到靈活的控制和復(fù)雜的協(xié)議通信的時(shí)候，F(xiàn)PGA不占優(yōu)勢(shì)，而SoC FPGA恰恰將FPGA和ARM的優(yōu)勢(shì)集合在了一起。

五、SoC FPGA和傳統(tǒng)的處理器+FPGA架構(gòu)對(duì)比

傳統(tǒng)處理器（英特爾X86架構(gòu)CPU、Cortex-M系統(tǒng)單片機(jī)等）+FPGA架構(gòu)中因?yàn)槭褂昧霜?dú)立的器件，所以電路板的設(shè)計(jì)相對(duì)復(fù)雜，另外在用單片機(jī)與FPGA通信的時(shí)候，速率也因?yàn)橛布娐钒寤蛘吒呶粚挷⑿锌偩€間的競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)情況等而受到限制。而SoC FPGA采用片上集成的方式，且ARM和FPGA之間的高速互聯(lián)橋也能打破帶寬和通信速率的限制，另外處理器、外設(shè)存儲(chǔ)單元可定制，因此也突破了硬件上的限制。

六、SoC FPGA 和 SOPC 對(duì)比

同： SoC FPGA 和 SOPC 都是由FPGA和處理器組成。

異： SoC FPGA 采用的是硬核處理器（ARM，性能更高），SOPC 采用的是軟核處理器（NIOS II）。其中SoC FPGA中的ARM和FPGA是相互獨(dú)立的，供電電源相互獨(dú)立，意思就是如果FPGA或者ARM中的任意一方斷電，另一方仍是可以正常工作的，彼此之間不會(huì)受到影響，但是如果設(shè)計(jì)中無(wú)需使用ARM部分，ARM部分占用的芯片資源卻是不能被釋放的。

而SOPC的處理器由FPGA通用資源搭建，也就是軟核處理器，所以當(dāng)不用CPU的時(shí)候，資源可釋放，全部的資源均可當(dāng)作FPGA資源來(lái)使用，但它的性能卻低于ARM硬核處理器。。

七、SoC FPGA 的總結(jié)

SoC FPGA 器件發(fā)揮了FPGA的可編程、并行處理等優(yōu)勢(shì)，與ARM處理器協(xié)同工作，突破硬件中無(wú)法靈活控制等的限制，最終基于SoC FPGA實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)也擁有高集成、低功耗等有點(diǎn)。隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，這種ARM+FPGA 集成架構(gòu)的芯片（SoC FPGA）將有更大的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。

了解之后，可以閱讀一些有關(guān)SoC FPGA方面的文獻(xiàn)，有了一定的理論知識(shí)支撐后，去動(dòng)手嘗試一些有關(guān)的實(shí)踐項(xiàng)目。

審核編輯：湯梓紅