Altera推SoC FPGA传统ARM处理器面临挑战

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FPGA硬核和软核处理器的区别

FPGA硬核和软核处理器的区别SOPC技术，即软核处理器，最早是由Altera公司提出来的，它是基于FPGA的SOC片上系统设计技术。

是使用FPGA的逻辑和资源搭建的一个软核CPU系统，由于是使用FPGA的通用逻辑搭建的CPU，因此具有一定的灵活性，用户可以根据自己的需求对CPU进行定制裁剪，增加一些专用功能，例如除法或浮点运算单元，用于提升CPU在某些专用运算方面的性能，或者删除一些在系统里面使用不到的功能，以节约逻辑资源。

另外也可以根据用户的实际需求，为CPU添加各种标准或定制的外设，例如UART，SPI，IIC等标准接口外设，同时，用户也可以自己使用FPGA的逻辑资源，编写各种专用的外设，然后连接到CPU总线上，由CPU进行控制，以实现软硬件的协同工作，在保证系统性能的同时，增加了系统的灵活性。

而且，如果单个的软核CPU无法满足用户需求，可以添加多个CPU软核，搭建多核系统，通过多核CPU协同工作，让系统拥有更加灵活便捷的控制能力。

由于是使用FPGA资源实现的，所以具有很大的灵活性，可以实现根据需要实现多种处理器，如8051，RISC-V，Xilinx的 MicroBlaze ，Altera的Nios-II等等。

由于软核CPU是使用FPGA的通用逻辑资源搭建的，相较使用经过布局布线优化的硬核处理器来说，软核处理器够运行的最高实时钟主频要低一些，而且也会相应的消耗较多的FPGA逻辑资源以及片上存储器资源，因此SOPC方案仅适用于对于数处理器整体性能要求不高的应用，例如整个系统的初始化配置，人机交互，多个功能模块间的协调控制等功能。

所以，各大FPGA厂家推出了SoC FPGA技术，是在芯片设计之初，就在内部的硬件电路上添加了硬核处理器，是纯硬件实现的，不会消耗FPGA的逻辑资源，硬核处理器和FPGA逻辑在一定程度上是相互独立的，简单的说，就是SoC FPGA就是把一块ARM处理器和一块FPGA芯片封装成了一个芯片。

SOC文章1：SOC常见问题解答

SOC常见问题解答发布时间：2014-07-111.SOC FPGA中的ARM是软核还是硬核？ARM核的外设是软核还是硬核？SOC FPGA 中的ARM核是硬核。

所以简称HPS，Hardware Processor System2.ARM处理器核是包含于FPGA逻辑单元内部的吗？如下图所示。

刚开始接触SOC FPGA就可以认为，FPGA和ARM（HPS）处理器只是封装到同一个芯片中，JTAG接口、电源引脚和外设的接口引脚都是独立的。

3.ARM处理器和FPGA逻辑单元如何通信？如下图所示，上面蓝色区域是ARM处理器部分，下面是FPGA逻辑单元部分。

ARM和FPGA是通过他们之间的几个桥进行通信的。

4.FPGA和FPGA之间的带宽是如何计算的？Cyclone V SOC FPGA器件H2F和F2H两个高速桥，每个桥128-bit位宽，128*2*200MHz=51200Mbps1个FPGA到SDRAM桥，256bit位宽，256*200MHz=51200Mbps不计算H2FLW桥的情况下，所有桥，单个方向的总带宽是>100GbpsArria V SOC FPGA器件H2F和F2H两个高速桥，每个桥128-bit位宽，128*2*250MHz=64000Mbps1个FPGA到SDRAM桥，256bit位宽，256*250MHz=64000Mbps不计算H2FLW桥的情况下，所有桥，单个方向的总带宽是>125Gbps5.产品开发模式和传统FPGA、独立ARM处理器开发模式有什么不同？开发SOC FPGA芯片需要使用Altera的Qsys软件。

在Qsys中要将ARM和FPGA之间的各个桥总线信号引入到FPGA侧。

需要在Qsys图形化界面中使能ARM侧的各个外设，并选择相应的管教；设置DDR颗粒的配置参数。

后续经过简单操作就可以直接产生ARM的bootloader源代码。

该特性为 ARM开发人员提供了非常大的便利。

SoCFPGA：Altera推出集成ARW处理器的可编程逻辑器件

全新产品线的做法不同，Ａｌｒ是将系统的峰值性能达到４００ＤＰ，ｔａｅ，ＭＩＳ０
１Ｇｐ￣嵌入式收发器。ＦＧ架构０ｂｓＰＡ
．８ＰＡＡＭ内核与其已有的Ｃｃｎ、Ａｒ功耗不到１Ｅ。处理器系统和ＦＧ包括精度可调ＤＰ块以及三个ＥＣＲｙｌｅｒａｏｉＳ模Ｃ
■ 李明骏
如同ＤＡ的双螺旋上升结构，Ｎ
８００ＭＨｚ，可用于高性能嵌人式系带宽超过１５ｂｓ２Ｇｐ，其数据完整性优
赛灵思和Ａｌｅａ两家全球ＦＧ统，包括很多ＡＲｔｒ这ＰＡＭ软件辅助系统供于采用单独ＦＧＰＡ和ＡＭ处理器两片Ｒ
ＮＥｗｃＨＮ。ＬＧＹＴＥ。
Ｉ术新聚技焦
ＳＣＦＧｏＰＡ：Ａｌｒ推出集成ＡＲｔａｅＭ处理器的可编程逻辑器件
在赛灵思发布Ｚｎ半年之后，Ａｔｒ也向外界披露了其集成Ａ处理器的可编程逻辑器件方案。尽ｙｑｌａｅＲＭ管样片要明年下半年才能提供，但开发人员可利用其同期推出的虚拟目标平台现在就开始软件以及无线通信等。”
里集成当前业界流行的处理器内核ＡＲＣｒｘＡ９后，不到一年，Ｍｏｔ — 之ｅ
了系统功耗。 “ 对于ＦＧ＋理相ＰＡ处
据介绍，Ａ１ｅａ布的ＳＣ器两片式方案，ＳＣＦＧｔ发ｒＯｏＰＡ可以降低ＦＧＰＡ基于其２ｎ８ｍ产品系列Ｃｃｏｅ３％系统功耗，同时器件面积减少了ｙｌｎ０

论ASIC与FPGA之争

总之，PLD芯片的成本已越来越低而功能变得很强大，这里所说的低端产品，实际上已经达到几年前的高端产品的水平，甚至已经可以和ASCI芯片相互竞争，随着相关技术的改进和规模化生产程度的提高，FPGA芯片的价格还有下调的空间。对于广大ASIC 设计者来说，如果过去只是把FPGA作为一个验证和快速原型工具，那末现在应当考虑直接用FPGA设计ASIC。另外Altera的FPGA提供了一个更能降低成本的技术。客户的FPGA的设计可以利用Altera的 HardCopy方案，为客户FPGA 设计创建硬件实现。这样， Altera 提供的这些部件的成本可以降低大约70%，并没有实现和封装的问题。
收稿日期：2004-01-12 E-mail：hjg@
部器件速率，片间的I/O数率达到225 MHz。多达82 944 b的双口 RAM，45 个时钟控制网络，4个PLL, 多种I/O 协议。Quicklogic 提供32和64位的PCI 接口，并且提供一个含有MIPS32 core和高速DSP 产品系列。
(3) FPGA产品的支持软件的发展
Altera最新的FPGA设计支持软件是Quartus II 。它提供了一个设计平台，其中包括嵌入式软件、数字信号处理、板级分析和综合
工具。设计者可以利用基于总线的各个部件如处理器、外设控制器、甚至设备驱动程序和操作系统内核。Altera的DSP Builder 把 Matlab 和Simulink等同算法开发、模拟和验证结合起来。用户可以利用信号处理工具箱和滤波器设计工具箱设计算法，然后用
FPGA是一种可编程器件(PLD)。简单可编程器件(SPLD 或 PAL)是在20年前出现的。2003年IC市场约为1 318亿美元，2002年ASIC销售额约增至138亿美元，而2002 年 PLD 市场的销售额大约为 23 亿美元。2002 年，FPGA 的销售额为 18 亿美元。复杂的可编程逻辑器件(CPLD)目前占有PLD 的35%的市场，FPGA占据PLD市场的53%。有人预计PLD市场在系统级可编程芯片(SOPC)技术的推动下，在几年内的市场将会有10倍的增长。

SoC技术现状及其挑战_李兵

ＭＩＰＳ的ＥＣ总线，ＩＢＭ的行单独的测试并且能在系统的应用环境
ＣｏｒｅＣｏｎｎｅｃｔ总线，因此不中进行测试。
同厂商ＩＰ核之间的互连几
● 端口定义标准化。即ＩＰ核的端口
图１典型的ＩＰ核互连结构
乎是不可能的。建立一种通用的片上总线结构是
要有一个统一的定义。 ● 版权保护。
一个或多个处理器、存储器、模拟电路ＩＢＭ公司制造了它的第一款ＳｏＣ成本）及ＦＰＧＡ的低风险、灵活性和上
模块、数模混合信号模块以及片上可编ＡＳＩＣ，该系统包括ＰｏｗｅｒＰＣ４０１微处市快的特性。这也是ＳｏＣ技术在微电子
程逻辑。因此，ＳｏＣ定义的发展和完善理器、ＳＲＡＭ存储器、高速的模拟存储行业受欢迎的最根本的原因。
互连。典型的互连结构见图１。使用片上围，即针对不同的设计应用具有一定的
● 功耗问题仍然是限制ＳｏＣ设计的
总线结构虽然可以解决ＩＰ核间的互连问适应性。
因素。
ＥＰＣ
今日电子 · 2 00 5 年 8 月
41
构见图２。
面临着下面的一些挑战： ● 由于连接延时的不确定性，在时
钟频率为１０ＧＨｚ集成了上亿晶体管的
这种结构虽然可解决通用总线的问ＶＬＳＩ（ＶｅｒｙＬａｒｇｅＳｃａｌｅＩｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）
ＳｏＣ设计技术面临的挑战
题，但建立一个高效的路由算法是非常芯片上，时钟同步是一个关键问题，必
ＳｐａｒｔａｎＩＩ、Ｖｉｒｔｅｘ、ＶｉｒｔｅｘＩＩ、ＸＣ４０００络结构来实现
统的ＶＬＳＩ设计者来说，ＳｏＣ设计还将
和ＸＣ９５００，Ａｌｔｅｒａ公司的ＳｏＣ芯片型号为ＡＰＥＸＥＰ２０ＫＥ、Ｓｔｒａｔｉｘ、ＳｔｒａｔｉｘＩＩ和Ｃｙｃｌｏｎｅ系列。

Altera10代FPGA和SoC：架构和工艺上的双重突破

从１９９２年第一代产品Ｆｌｅｘ８０００开始计算，按照两年更新利用针对ＴＳＭＣ２０ｎｍ工艺进行了优化的增强体系结构，
一
次的频率，这确实是第１０代产品。本次发布的新产品在架构和工艺上具有新的突破。
・
多芯片３Ｄ解决方案，可集成ＳＲＡＭ、ＤＲＡＭ和
ＡＳｌＣ
据Ａｌｔｅｒａ公司产品营销资深总监ＰａｔｒｉｃｋＤｏｒｓｅｙ介绍，
Ａｒｒｉａ１ｏＦＰＧＡ和ｓＯｃ
Ａｒｒｉａ１０ＦＰＧＡ和ＳｏＣ是１０代系列产品中最早推出
１４ｎｍＴｒｉ－Ｇａｔｅ工艺。为何采用这种工艺？Ｐａｔｒｉｃｋ表示，
富，而性能提高了１５％。Ａｒｒｉａ１０ＦＰＧＡ和ＳｏＣ反映了硅
三栅门晶体管的体积更小。Ｉｎｔｅｌ在半导体生产工艺上在业片融合的发展趋势，实现了系统集成度最高的中端器件，界领先２到３年，它的技术都比较成熟和标准。这是它首包括１１５万逻辑单元（ＬＥ）、集成硬核ＩＰ和第二代处理器次开放给ＦＰＧＡ厂商使用。其次，第１０代产品在ＦＰＧＡ系统，该系统具有１．５ＧＨｚ双核ＡＲＭＣｏｒｔｅｘＴＭ — Ａ９处理产品本身的架构上也进行了很大的突破和创新，才使得性器。Ａｒｒｉａ１０ＦＰＧＡ和ＳｏＣ含有２８一Ｇｂｐｓ收发器，带宽比能得以大大提升。Ｐａｔｒｉｃｋ表示，本代产品采用了增强的高当前一代产品高４倍，系统性能提高３倍，包括支持２６６６

比较Altera与Xilinx带ARM处理器的FPGA哪个更好？

⽐较Altera与Xilinx带ARM处理器的FPGA哪个更好？如今FPGA开始带ARM处理器了。

赛灵思（Xilinx）的称作可扩展处理平台，取名Zynq；Altera的称作集成ARM处理器的SoC FPGA。

今年3⽉份，赛灵思推出Zynq；今年10⽉份，Altera推出集成ARM处理器的SoC FPGA。

两家公司的产品⾮常类似。

两者都是集成ARM Cortex-A9 MPCore 双核处理器的SoC，都采⽤28纳⽶⼯艺，都在台积电⽣产。

它们的⽬标应⽤领域也都是视频监视、汽车驾驶员辅助以及⼯⼚⾃动化（⼯业驱动）。

那么，它们之间有什么不同呢？Altera公司产品及企业市场副总裁Vince Hu先⽣总结出以下⼏点不同：1. FPGA与处理器之间的互联（AXI总线）带宽，Altera的SoC FPGA较Xilinx的Zynq有所提升，⼤约是Zynq的两倍带宽。

这样整个芯⽚的性能会更好。

2. Altera的产品更丰富，有两个系列：Cyclone V和Arria V SoC FPGA。

两个不同产品系列针对不同的应⽤，⽤户在功能与价格上⾯有更多的选择。

3. 两家虽然都是由台积电代⼯，但所采⽤的⼯艺有所不同。

Altera选⽤的是LP ⼯艺（lowpower，即低功耗），这样对产品的功耗跟价格⽅⾯会有所缓解。

4. Altera推出的虚拟⽬标软件可提升软件开发⼯程师的效率，把他们的开发时间降到最低。

5. Altera的SoC FPGA的存储器的控制提供 ECC，即纠错码功能，可以满⾜对数据完整性的⾼的需求。

不过赛灵思不以为然。

赛灵思亚太区市场及应⽤总监张宇清说，Altera在步Xilinx的后尘，并完全模仿赛灵思的Zynq。

Zynq-7000 系列预计将于今年下半年推出，⽽Altera的产品需要⼀年之后。

⼯艺⽅⾯，赛灵思与台积电合作开发了HP-L（⾼性能、低功耗）⼯艺，芯⽚性能⽐LP⼯艺会更好，成本也不会显著提⾼。

ASIC、ASSP、SoC和FPGA之间到底有何区别？

ASIC、ASSP、SoC和FPGA之间到底有何区别？事实上，工业市场是一个庞大的市场，任何一款主控芯片都无法完全将其覆盖。

就工业应用领域而言，FPGA凭借设计集成、可重新编程能力等优势，有效协助系统开发商的产品更快速地推向市场，逐渐进入传统MCU和DSP占主要份额的领域。

初露头角的FPGA已能窥见其背后广阔的市场前景，随着系统复杂度的提高，FPGA还能够集成整个芯片系统（SoC），与分立的MCU、DSP、ASSP以及ASIC解决方案相比，大幅度降低了成本。

不论是用作协处理器还是SoC皆具备不可取代的独特优势。

那么，这些器件之间差异性在哪里呢？一位资深工程师述文进行分享，内容如下：我经常收到关于各类设备之间的差异的问题，诸如ASIC、ASSP、SoC和FPGA之间的区别问题。

例如是SoC是ASIC吗？或ASIC是SoC吗？ASIC和ASSP之间的区别是什么？以及高端FPGA应该归类为SoC吗？这里有几个难题，至少技术和术语随着时间而演变。

牢记这一点，对于这些术语的起源以及它们现在的意义是什么，我对此做了高度简化的解释。

ASIC——特定应用集成电路让我们从特定应用集成电路（ASIC）开始。

正如其名称所表示的，这是因特定目的而创建的设备。

当大多数人听到这个词ASIC时，他们的“下意识”反应是，假设它是数字设备。

事实上，不论它是模拟的、数字的，或两者的混合，任何定制的芯片都是一个ASIC。

然而，对于这些讨论的目的，我们应该假设这是一个完全或主要部分是数字性质的芯片，任何模拟和混合信号功能是沿着物理接口线（物理层）或锁相回路（PLL）的。

ASIC通常被设计和使用在特定系统中的单个公司。

开发ASIC非常昂贵、耗时、资源密集的，但ASIC确实能提供低功耗的高性能。

ASSP——专用标准产品专用标准产品（ASSP）的设计和实施方式完全和ASIC相同。

这并不奇怪，因为它们本质上是相同的东西。

唯一的区别是，ASSP是更通用的设备，适用于多个系统设计工作室。

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无线通信等。
争力，器件性能水平非常适合大批量应用，包括
下一代芯片工业驱动器、高级辅助驾驶以及视频监控等。对于中端应用，ＡｒｏＰ在成ｒａＶＳＣＦＧＡｉ
Ａｔｒ公司的ＳＣＦＧＩａｅｏＰＡ产品
而是纳入到公司久负盛名的Ａｒｉ和Ｃｙｌｎ两条ｒａｃｏｅ
Байду номын сангаас
ＡｌｒｏＰｔａＳＣＦＧＡ系列利用其２ｎｅ８ｍ系列产
０资Ｐ产品线之中。ＣｃｏｅＶ￣ＡｒＳＣＦＧｙｌｎＩｒｉＶｏＰＡ的品，在工艺技术、收发器技术、１源和硬核Ｉａ处理器系统采用双核８０ＭＨｚＡＲＭｒｅ — 等多个方面进行了创新，通过定制满足用户的功０ＣｏｔｘＡ９
在四个方面，即：提高系统性能、降低系统成配置和启动。工作起来后，可以根据需要关断
ＰＡ部分，以降低系统功耗。本、减小电路板面积、降低系统成本。随着ＦＧ
ＡｌｒｏＰＡ的面世，这些愿望很快就会成ｔａＳＣＦＧｅ为现实。ＣｃｏｅＶ￣ＡｒｏＰ通过大吞吐ｙｌｎｎｒｉＶＳＣＦＧＡａ
量数据通路实现ＡＲＭｏｔｘＡ９ＭＰｏｅ理器Ｃｒ — Ｃｒ处ｅ
Ｐ２ＧｂｓＳＣＦＧＡ是在ＦＧＡ架构中集成了硬核系统和ＦＧＡ的互联，峰值带宽超过１５ｐ，ｏＰ就ＰＰ处理器系统（Ｓ，包括处理器、外设和存储数据的连续性也很好，性能远超处理器和ＦＧＡＨＰ）器控制器。Ａｌｒ的ＳＣＦＧＡ产品集成了双核两个单芯片解决方案。两个系列产品均基于低功ｔａｏＰｅ
Ａｌｒ透露，因其ＳＣＦＧＡ芯片将于２１年下ｔａｅｏＰ０２半年提供ＳＣＦＧＡ片，嵌入式软件开发人员ｏＰ硅现在即可通过购买ＳＣＦＧＡ虚拟目标，利用它ｏＰ开始面向Ａｌｒ的ＳＣＦＧＡ写器件专用应用ｔａｏＰ编ｅ软件。Ａｌｒ公司产品和企业市场副总裁ＶｎｅＨｕｔａｅｉｃ评论说： “ 嵌入式工程开发应用软件通常需为要占用很多的时间和工程资源。采用我们的ＳＣｏＦＧＡ虚拟目标，能帮助工程师迅速开始他们的Ｐ
ｙｌｎＶ和ＡｔａＶＳＣｒｏｉＭＰｒ处理器，同时具有ＮＥＯＮ媒体处理引耗、性能和成本要求。ＣｃｏｅＣｏｅＰ擎、单精度／精度浮点单元、Ｌ１Ｎ２速缓ＦＧＡ的推出将这一系列产品进一步拓展至嵌入双￣；Ｌ高Ｐ存、ＥＣ护存储器控制器、ＥＣ保护高速暂存式处理市场。此外，还支持在处理器和ＦＧＡ之Ｃ保Ｃ
产品，但Ａｌｒ并没有为其开辟全新的产品线，ｔａｅ
本和性能上达到均衡，总功耗特别低。对那些性
尽管ＳＣＦＧｏＰＡ是Ａｌｅａ新推出的新一代能要求较高的应用，如远程射频前端、ＬＥ站ｔｒ最Ｔ基和多功能打印机等，产品可具有４０Ｅ。６ＫＬ
ｔａｙｌｅＶＳＣＦＧｅｏ统，目标市场包括汽车辅助驾驶、智能视频监器控制器。Ａｌｒ的ＣｃｎｏＰＡ具有的
Ｋ１Ｌ控、工业自动化、航空航天、国防、广播以及１０逻辑单元（Ｅ），系统功耗和成本颇具竞
０存储器以及多种常用外设。处理器系统的峰值间不采用外部１通路，大幅度降低系统功耗。
１岛叠圜圃基础电ｌ０．１６子２１１１
Ｉ产业聚焦ｌｎｕｔｔｈｄｓｙＷａｃＩｒ
这对于复杂多核处理器系统开发非常重要。据
ＡＲＣｒｘＡ９ＭＰｏｅＭｏｔ — Ｃｒ处理器和２ｎＰＡ，ｅ８ｍＦＧ
耗２ｎ８ｍＩ艺（８Ｐ。这些系列具有分别工作２Ｌ）
Ｇｂｓｎ０ｐ的Ｐ硬核处理器和ＦＧＡ之间采用大于１５Ｇｂｓ宽在５ｐ￣１Ｇｂｓ嵌入式收发器。ＦＧＡ架构Ｐ２ｐ的ＰＣＣ带互联。ＳＣＦＧＡ设计常用于高性能嵌入式系包括精度可调ＤＳ模块，以及三个Ｅ保护存储ｏＰ
Ｃ刖
ｌ产业聚焦ＩｄｓｙＷａｃｕｔｔｈＩｎｒ
■ ＡｔａｏＰＡｌｒｅ推ＳＣＦＧ簟传统ＡＭ处理器面临挑战Ｒ
冒怩…
００ＤＭＩＳＰ，而功耗不到１瓦。处理．８十多年来，在与嵌入式开发人员的合作性能达到４０中，Ａｌｅａ司发现开发人员的需求始终集中器系统和ＦＧＡ架构独立供电，能够以任意顺序ｔｒ公Ｐ