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除了ZYNQ还有哪些内嵌ARM硬核的FPGA?

软核和硬核

内嵌处理器硬核的FPGA,即SoC FPGA,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。

更多介绍可以查看:FPGA硬核和软核处理器的区别

1.Xilinx的ZYNQ-7000系列

Xilinx发明的FPGA颠覆了半导体世界,创立了Fabless(无晶圆厂)的半导体模式。Zynq®-7000 系列集成了 ARM Cortex-A9 处理器,同时具有ARM软件的可编程性FPGA 的硬件可编程性,不仅可实现重要分析与硬件加速,同时还在单个器件上高度集成 CPU、DSP、ASSP 以及混合信号功能

ZYNQ芯片内部框图

zynq内部框图

准确的说,ZYNQ并不能说是一个嵌入式ARM硬核的FPGA,官方对其称呼是可扩展处理平台。Zynq-7000可扩展处理平台是采用赛灵思新一代FPGA(Artix-7与Kintex-7FPGA)所采用的同一28nm可编程技术的最新产品系列。可编程逻辑可由用户配置,并通过“互连”模块连接在一起,这样可以提供用户自定义的任意逻辑功能,从而扩展处理系统的性能及功能。

ZYNQ开发板

ZYNQ芯片资源主要分为两个部分:PL和PS,PL即可编程逻辑部分,指的是FPGA部分。PS即可编程系统部分,指的是ARM处理器部分,两者之间可以通过总线进行通信。对于一个不熟悉FPGA的嵌入式软件工程师来说,完全可以把它当做ARM MPU来使用,使用例程中搭建好的硬件环境,在SDK中开发。如果在进行软件调试时,发现某些算法太慢,速度上不去,可以用FPGA的逻辑部分把这部分进行优化,一般情况下快个一二十倍是没问题的。从FPGA逻辑部分到ARM软件开发,可以完全在Xilinx自家的开发环境里切换。

ZYNQ开发工具

PYNQ系列是ZYNQ的升级版,简单的理解就是:Python + ZYNQ的意思。至于Python是如何控制硬件的,

pynq

有了Python的加持,可以非常方便的进行FPGA开发,可以充分利用Python的灵活性和FPGA的硬件资源,可以简化图像处理和人工智能的算法设计。

PYNQ开发板

2.Altera的Cyclone V系列

2015年12月,Intel斥资167亿美元收购了Altera公司 。作为FPGA市场的二把手,既然Xilinx推出了ZYNQ,那Altera也得跟上老大的脚步啊!相比于Xilinx的SoC FPGA系列,Altera的内嵌ARM硬核的FPGA系列就比较多了,这里我整理了一个表格:

Altera的SoC FPGA

Altera® Arria® V GT FPGA开发套件,官方售价$3,995

arria v

整体来看,可能是ZYNQ的生态做得比较好,ZYNQ还是挺多资料的,而Altera的SoC FPGA资料不是很多。

3.Microsemi的SmartFusion系列

FPGA领域,大家比较熟知的就是以上两个厂商了,不过以上两家主流的FPGA都是基于SRAM工艺的,即芯片外部需要搭配一片SPI Flash用于存储程序,这样就会有一个问题,如果只是进行程序下载而没有进行程序固化,就会导致掉电数据丢失的问题,而且由于读写外部器件需要时间,所以上电不能立刻启动。而Microsemi的FPGA都是基于Flash结构的,即芯片内部有Flash可以用于程序存储,不用区分程序下载和程序固化,掉电数据不会丢失,上电立刻启动。Microsemi的主要市场在医疗机构、军工航空、汽车和工业控制领域。

Microsemi大家可能不太熟悉,说到Microsemi,我们不得不提一下它的历史,最开始Microsemi 是做功率电子器件的,Actel是做基于Flash结构FPGA芯片的,2010年,Microsemi收购了Actel,2018年,Microchip又收购了Microsemi,所以现在的第三大FPGA厂商应该是MicroChip。

Microsemi

2019 FPGA市场份额占有率 | 数据来源:MRFR

2019年FPGA市场占比

相比于Xilinx和Altra的FPGA内嵌的ARM Cortex-A系列MPU处理器,Microsemi的FPGA就显得比较LOW了,基于130nm工艺,主要有两个系列SmartFusion和SmartFusion 2,即一代和二代,都是内嵌的ARM Cortex-M3硬核,和STM32内嵌的是同一个内核,外设也都是比较常用的,如UART、SPI、IIC、EPROM、RTC等等。所以这个芯片的使用对于有单片机基础的朋友来说,比较容易上手。FPGA部分和ARM部分相互独立,可以通过APB总线来进行数据交换。ARM开发工具可选择Keil、IAR等常用MCU开发环境。

SmartFusion第一代FPGA内部框图

SmartFusion芯片框图

总结

可能是Xilinx ZYNQ的生态做得比较好,网络上的工具、文档资料、社区支持、相关书籍支持都很到位,而Altera的资料就不那么好找了。

本文分享自微信公众号 - 电子电路开发学习(mcu149),作者:wcc149

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原始发表时间:2020-04-26

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