【书本节选】Intel SoC FPGA系列器件介绍

小梅哥 2019-03-28 22:23

说明:本文内容节选自小梅哥编写的《SoC FPGA嵌入式设计和开发教程》一书1.1节。


随着信息技术的高速发展,各行各业正趋向于通过资源整合和并购的方式来获得更强、更稳固的竞争力,芯片架构亦是如此。单“芯“SoC方案(System onChip)拥有的低功耗、低成本、低布线面积以及高整合、高性能、高带宽(内部互联)的优势正推动其引领电子系统设计的潮流。

在传统的芯片架构中,处理器、DSPFPGA往往都各自独立,互不相干。当一个系统需要用到处理器、DSPFPGA中的多个元件时,采用板级集成的方式,在一块电路板上设计复杂的电路,将他们通过PCB板走线连接在一起。以此种方式设计的系统不仅设计生产成本高,而且受限于PCB走线和I/O管脚性能的影响,无法实现高带宽的数据通信。设计师们都期待着有这样一种芯片,能够同时拥有处理器、FPGADSP的特点,各个架构的优势强强联合,以提升电子系统设计的便利性。

为顺应时代的需求,亦如当年麻雀虽少,功能俱全的“单”片机出世,各大传统FPGA厂家都顺势推出了带有嵌入式硬核处理器的SoC FPGA。如Intel FPGA部门基于不同应用推出的带有Cortex-A9Cortex-A53、至强CPU等一系列涵盖低、中、高端的SoCFPGA器件,Xilinx 推出的带有Cortex-A9Cortex-A53处理器的Zynq系列FPGA

集成处理器和FPGA器件具划时代意义。这样ARMFPGA的优势共存一体,既ARM的顺序控制、丰富外设,开源驱动,与FPGA的并行运算、高速接口、灵活定制,相得益彰。再加上其内部多条高速桥接总线,使其数据交互链路畅行无阻。

  无论是XilinxZynq全可编程系列FPGA,还是IntelSoC FPGA,其基本架构都是在同一个硅片上集成FPGACPU,并通过高速、高带宽的互联架构连接起来。他们本质相同,架构和性能也都非常相似。熟悉一种器件的使用和开发思路,掌握其开发流程,就可以快速的过渡到另一种器件上。因此本书以Intel公司的Cyclone V SoC FPGA器件为例,讲解这类新型异构芯片的开发方法。

 

1.1 Intel SoC FPGA系列

针对不同的应用领域,Intel PSG部门设计开发了各种逻辑资源以及性能优异的SoC FPGA器件,如 1.1.1所示。

                           

1.1.1Intel SoC FPGA器件图谱

1.1.1 CycloneV SoC FPGA

Cyclone V SoCFPGA基于台积电28nm工艺,系统成本和功耗都非常低,其性能和成本优势适合大批量应用。FPGA与前几代相比,其总功耗降低了40%,具有高效的逻辑集成功能,提供可选的集成收发器。并且支持精度可调的DSP模块,数字信号处理性能高达150G MACS100G FLOPSCyclone V SoC FPGA提供了3大类可选类型,如下:

  1. 具有基于ARMHPSCyclone V SE SoC FPGA

  2. 具有基于ARMHPS3.125 Gbps收发器的Cyclone V SX SoC FPGA

  3. 具有基于ARMHPS5 Gbps收发器的Cyclone V ST SoC FPGA


1.1.2 Arria V SoC FPGA

Arria V SoC FPGA同样基于台积电28nm芯片生产工艺,对于远程射频前端、LTE基站以及多功能打印机等中端应用,在成本、功耗和性能上达到了均衡。高速的FPGA架构、快速I/O以及高速收发器数据速率等特性进一步提高系统性能,具有丰富DSP块的Arria V FPGA架构性能达到1600 G MACS300 GFLOPSArria V SoC FPGA提供2大类可选类型,如下:

  1. 具有基于ARMHPS6.5536-Gbps收发器的Arria V SX SoC FPGA

  2. 具有基于ARMHPS10.3125-Gbps收发器的Arria V ST SoC FPGA


1.1.3 Arria 10SoC FPGA

Arria 10 SoCFPGA采用了台积电20nm的芯片生产工艺。作为高端SoC FPGA器件,其性能本身比Stratix V高出15%,而功耗却比Arria系列的前代产品Arria V节省了40%。同时,Arria 10 SoC FPGA提供了更加丰富的高性能IP支持,包括100G以太网、150G/300G Interlaken协议和PCI Express Gen3。同时,作为一款集成了基于ARMHPSSoC FPGA器件,其双核的ARM Cortex-A9处理器运行主频可达1.5GHz,性能也是非常的优异。


1.1.4 Stratix10 SoC FPGA

作为顶级SoC FPGA器件,Stratix 10 SoC FPGA使用了英特尔新的14nm三栅极芯片制造工艺,并通过开创性的HyperFlex体系结构实现了2倍内核性能。Stratix10 SoC FPGA器件中,逻辑容量最大的可达5.5MB,每秒可执行高达10 tera的浮点操作。同时,作为一款集成了基于ARMHPSSoC FPGA器件,Stratix 10 SoC FPGAARM处理器从双核Cortex-A9升级到了644核的Cortex-A53高性能处理器,性能提升非常明显。


1.1.5 SoC FPGA应用领域与前景

Intel SoC FPGA器件集成了FPGAARM的特性,因此特别适用于工业自动化、运动控制、视频检测、图像处理等场合。基于FPGA的灵活扩展性,我们可根据市场需要完成定制化的开发需求,如多路串口和网口连接到ARM的总线上,由Linux系统统一调度管理。可以说,在FPGA资源充足的情况下,设计者可任意多地扩展系统的外设。下表列出了SoC FPGA器件常见的应用场景。

行业

目标应用

关键功能

工厂自动化

工业I/O

传感器接口、安全

工业网络

工业通信/网络协议桥接、安全

可编程逻辑控制器(PLC/人机接口(HMI)、驱动、伺服

控制环、高能效逆变器、通信协议、I/O、安全

智能能源

再生能源、传输和分配、保密通信

逆变器、功耗管理、保护中继、通信标准、保密、安全

视频监控

IP摄像机

宽动态范围(WDR)相机、高清(HD)视频、高级视频分析

汽车

高级辅助驾驶,信息娱乐

视频处理、视频分析、通信

无线基础设施

远程射频单元、LTE移动骨干网

信号处理、基带处理

固网通信

路由器、接入、边缘设备

路由协议、链路管理、OAM

广播

演播、视频会议、专业音频/视觉(A/V

音频和视频CODECIP承载视频、PCIe采集、视频和图像处理

国防和航空航天

夜视、保密通信

视频和图像处理

智能、仪表

数据处理、控制和深度数据包探测

医疗

诊断成像、仪表

超声成像、信号处理

计算机和存储

多功能打印机、机架管理

扫描和打印算法、温度电压监视/远程访问



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