雖然半導(dǎo)體技術(shù)是所有電子產(chǎn)品的基礎(chǔ)，但真正讓我們的社會(huì)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的卻是軟件。與硬件相比，軟件提供了幾乎無(wú)限的靈活性，而且當(dāng)軟件在高性能微處理器上運(yùn)行時(shí)，可能會(huì)產(chǎn)生驚人的結(jié)果。例如，如果不是在最新的處理器上運(yùn)行軟件，人工智能就不可能取得進(jìn)展。

在過(guò)去的幾十年里，硬件與軟件之間的平衡已經(jīng)發(fā)生轉(zhuǎn)變。人們普遍認(rèn)為，現(xiàn)在約有 70％ 的產(chǎn)品功能是在嵌入式軟件層面定義的，而原因幾乎完全在于其靈活性。

然而，隨著應(yīng)用將性能推向極致，這種不平衡也變成了一個(gè)制約因素。軟件歸根結(jié)底是以抽象的形式實(shí)現(xiàn)功能，在執(zhí)行時(shí)間方面伴隨著不可避免的開(kāi)銷(xiāo)。而在晶體管層面的專(zhuān)用硬件中實(shí)現(xiàn)的相同功能總是會(huì)執(zhí)行得更快。這種性能上的增益通常以靈活性為代價(jià)，但是得益于集成了三種關(guān)鍵技術(shù)（處理內(nèi)核、固定功能和可重新配置的硬件）的器件，在性能與靈活性之間實(shí)現(xiàn)正確的平衡已經(jīng)變得更加容易。

高性能優(yōu)化解決方案

集成上述三種技術(shù)的器件通常稱(chēng)為片上系統(tǒng) (SoC)。就本質(zhì)而言，它們將這些功能的所有優(yōu)點(diǎn)全部匯集到單一平臺(tái)中，提供比固定功能器件更大的靈活性、比微控制器更高的可配置性，以及比 FPGA 更多的功能多樣性。

出于多個(gè)原因，這種集成對(duì)于應(yīng)用而言是一種很好的組合。性能是一個(gè)主要的原因，可以解釋為吞吐量或?qū)崟r(shí)響應(yīng)。低功耗和優(yōu)化的設(shè)計(jì)可能是另一個(gè)原因?？梢栽趩蝹€(gè)器件上集成的功能越多，所需的外部元器件就越少。這些場(chǎng)景包括 SoC 的兩個(gè)“轉(zhuǎn)折點(diǎn)”，即實(shí)現(xiàn)純性能的場(chǎng)景和提供優(yōu)化設(shè)計(jì)的場(chǎng)景。

如果吞吐量是最終目標(biāo)，那么采用 ASIC 形式的全定制式設(shè)計(jì)所提供的性能將難以超越。不過(guò)，雖然 NRE 成本正在下降，但仍然需要根據(jù)單價(jià)權(quán)衡 ASIC 的開(kāi)發(fā)成本，而且該數(shù)字通常只有在大批量的情況下才具有商業(yè)價(jià)值。長(zhǎng)期以來(lái)，F(xiàn)PGA 技術(shù)一直在一個(gè)器件離廠后仍可配置的平臺(tái)中為行業(yè)提供與 ASIC 一樣的性能。底層技術(shù)使用查詢(xún)表來(lái)模擬全定制邏輯，但總是存在一些硬接線(xiàn)功能的集成，尤其是在涉及邏輯中不容易仿真的功能時(shí)。最近，此技術(shù)經(jīng)過(guò)發(fā)展，已經(jīng)將處理器子系統(tǒng)包括在內(nèi)，使這些器件也毫無(wú)疑義地歸入 SoC 類(lèi)別。FPGA 的行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者提供完美結(jié)合三種 SoC 關(guān)鍵元件的器件。其中包括 Xilinx 的 Zynq? UltraScale+ 系列，它提供具有兩個(gè)或四個(gè) ARM?Cortex?-A53 內(nèi)核以及 ARM Cortex-R5 內(nèi)核的器件。

這些器件針對(duì)的是需要高性能的應(yīng)用，而屬于第二個(gè)類(lèi)別的 SoC 則包括 Microsemi 的 SmartFusion2 SoC FPGA 系列和 Cypress Semiconductor 的 PSoC 5LP 系列。這兩款器件都集成了 ARM Cortex-M3 內(nèi)核與硬接線(xiàn)功能和可配置硬件。這里提到的所有器件均受到相關(guān)平臺(tái)支持，這些平臺(tái)同時(shí)在硬件和軟件層面為應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供全面支持。

多核 SoC

Xilinx 的 ZCU102 評(píng)估板采用 Zynq UltraScale+ XCZU9EG 多處理器 SoC，可提供令人難以置信的高度集成。其多核處理功能包括 Cortex-A53 64 位四核處理器和 Cortex-R5 雙核實(shí)時(shí)處理器，與 FPGA 邏輯、連接接口和圖形處理單元緊密耦合（圖 1）。

圖 1： 高度集成的 Xilinx Zynq UltraScale+ EG 的框圖。

該評(píng)估板（圖 2）具有連接到處理子系統(tǒng)的 4 Gb DDR4 SODIMM 和連接到可編程邏輯的另一個(gè) 512 Mb DDR4 存儲(chǔ)器。它還包括兩個(gè)用于進(jìn)一步擴(kuò)展的 FPGA 夾層卡 (FMC) 接口以及高級(jí)接口（PCIe Gen2x4、USB3、顯示端口、SATA），可為汽車(chē)、工業(yè)、視頻和通信領(lǐng)域的各種應(yīng)用提供理想的評(píng)估平臺(tái)。

圖 2： ZCU102 評(píng)估板的主要特性。

EG 系列的系統(tǒng)邏輯單元從大約 10 萬(wàn)個(gè)擴(kuò)展到 100 多萬(wàn)個(gè)，其可配置邏輯塊 (CLB) 查詢(xún)表 (LUT) 的數(shù)量從大約 5 萬(wàn)個(gè)到 50 多萬(wàn)個(gè)不等。憑借這種水平的可配置性以及強(qiáng)化的多媒體塊和集成的高速外設(shè)，Zynq UltraScale+ 系列可以用于各種要求苛刻的應(yīng)用。ZCU102 評(píng)估板是開(kāi)發(fā)人員的理想平臺(tái)，與 Zynq-7000 系列相比，可提供高達(dá)五倍的每瓦性能。

應(yīng)用示例

人們對(duì)性能的要求不斷增加，這一點(diǎn)在通信領(lǐng)域最為明顯。大部分互聯(lián)網(wǎng)活動(dòng)都涉及存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息，最常見(jiàn)的數(shù)據(jù)庫(kù)是 SQL。一種用于加速 SQL 數(shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù)是使用高速緩沖存儲(chǔ)器，通常使用具有集成 DRAM 的標(biāo)準(zhǔn)處理器來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這種做法雖然能夠奏效，但也受到處理器架構(gòu)的束縛，因?yàn)樘幚砥骷軜?gòu)并不是為此類(lèi)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。使用 Zynq UltraScale+ 之類(lèi)的器件可以為流數(shù)據(jù)提供優(yōu)化的解決方案，而不會(huì)因?yàn)槭褂锰幚砥鞯乃懈呒?jí)功能讓其如同網(wǎng)絡(luò)中的獨(dú)立服務(wù)器一樣工作而對(duì)處理器造成壓力。按照標(biāo)準(zhǔn)的 x86 處理器來(lái)衡量，這可以使性能提高四倍，而功耗則降低 20 倍。

在汽車(chē)行業(yè)，ADAS 的使用將因?yàn)檐?chē)載攝像頭的使用而進(jìn)一步增加。這會(huì)催生對(duì)能夠處理多達(dá)六個(gè) 30 幀/秒幀速 200 萬(wàn)像素?cái)z像頭的 SoC 的需求。憑借其高度集成的特性，Zynq UltraScale+ 非常適合這種具有挑戰(zhàn)性的應(yīng)用。

ZCU102 配備了開(kāi)始開(kāi)發(fā)此應(yīng)用及更多其他應(yīng)用所需的所有工具和 IP。它還包括 Vivado 設(shè)計(jì)套件: 設(shè)計(jì)版憑證代碼（與評(píng)估板上的 XCZU9EG 進(jìn)行節(jié)點(diǎn)鎖定和器件鎖定）。

物聯(lián)網(wǎng)中的 SoC

物聯(lián)網(wǎng)通常被描述為一種資源和功能有限的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，但它也涉及許多現(xiàn)有應(yīng)用的連接和自動(dòng)化。憑借其高度集成的特性，能夠提供適當(dāng)功能水平和低功耗的 SoC 可為連接的設(shè)備提供理想的平臺(tái)。

例如，Microsemi 的 SmartFusion2 是針對(duì)電機(jī)控制和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的，但也可以為安全連接設(shè)備輕松奠定基礎(chǔ)。它將基于閃存的 FPGA 結(jié)構(gòu)與 ARM Cortex-M3 內(nèi)核和高性能通信接口（包括 CAN、千兆位以太網(wǎng)、HS-USB 和 PCIe）以及 DDR2/DDR3 存儲(chǔ)器控制器集成在一起。為了支持使用 SmartFusion2 進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)，Microsemi 開(kāi)發(fā)了 SmartFusion2 高級(jí)開(kāi)發(fā)套件。該評(píng)估板的主要特性如圖 3 和圖 4 所示。

圖 3： SmartFusion2 高級(jí)評(píng)估套件的框圖。

圖 4： Microsemi 的 SmartFusion2 高級(jí)開(kāi)發(fā)套件。

Microsemi 已使用此套件開(kāi)發(fā)了一款演示應(yīng)用，提供創(chuàng)建安全 Web 服務(wù)器（支持使用 TLS/SSL 安全協(xié)議發(fā)送和接收加密數(shù)據(jù)）所需的所有軟件和支持；此應(yīng)用正是物聯(lián)網(wǎng)中目前部署的那種應(yīng)用。

如圖 5 所示，應(yīng)用層接收來(lái)自客戶(hù)端瀏覽器的請(qǐng)求，并使用靜態(tài)網(wǎng)頁(yè)做出響應(yīng)，而服務(wù)器應(yīng)用在 SmartFusion2 上運(yùn)行。TLS/SSL 協(xié)議是使用開(kāi)源庫(kù) PolarSSL 實(shí)現(xiàn)的。傳輸層 (TCP/IP) 通過(guò)更多的開(kāi)源軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這些軟件在有無(wú)操作系統(tǒng)的情況下均可使用。在此示例中，使用 FreeRTOS 開(kāi)源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)確定任務(wù)的優(yōu)先順序并安排任務(wù)。也可以將該高級(jí)開(kāi)發(fā)套件配置為運(yùn)行 uClinux，這種操作系統(tǒng)基于 Microsemi 已針對(duì) SmartFusion2 SoC 修改過(guò)的 Linux 內(nèi)核。

圖 5： 在 SmartFusion2 上實(shí)現(xiàn)的安全 Web 服務(wù)器應(yīng)用概述。

SmartFusion2 具有 15 萬(wàn)個(gè)邏輯元件、一個(gè) 166 MHz Cortex-M3 內(nèi)核和專(zhuān)用的 DSP 塊，加上嵌入式 NVM（非易失性存儲(chǔ)器）和 SRAM，在可配置性與硬接線(xiàn)功能之間實(shí)現(xiàn)了良好的平衡。該高級(jí)開(kāi)發(fā)套件借助 PCIe 邊緣連接器、FMC 連接器、兩個(gè)千兆位以太網(wǎng)端口、SPI 和 UART 的支持來(lái)利用這種潛力。通過(guò)新增的高性能運(yùn)算放大器，可以在開(kāi)發(fā)過(guò)程中衡量器件的功耗，幫助開(kāi)發(fā)人員在給定的功率預(yù)算內(nèi)設(shè)計(jì)最佳解決方案。

優(yōu)化的設(shè)計(jì)

單芯片解決方案廣泛適用于各種應(yīng)用，可以將數(shù)字器件、模擬器件和存儲(chǔ)器恰當(dāng)組合并集成到一起，提供優(yōu)化的定制器件。這樣做總是能夠縮小 PCB 面積，減少外部元器件數(shù)量并降低 BOM 成本。

可編程模擬器件比相應(yīng)的數(shù)字器件要少見(jiàn)得多，而且可以說(shuō)是以 Cypress Semiconductor 的 PSoC 系列為主。PSoC 器件（即可編程 SoC）采用微控制器內(nèi)核、硬接線(xiàn)塊和可編程邏輯，其區(qū)別在于其使用開(kāi)關(guān)電容技術(shù)、運(yùn)算放大器、比較器、ADC 和 DAC 以及數(shù)字濾波器模塊實(shí)現(xiàn)的可配置模擬外設(shè)。這些特性共同作用，就能創(chuàng)建與芯片上的數(shù)字功能緊密耦合的復(fù)雜模擬信號(hào)路徑的配置。

CY8CKIT-050 開(kāi)發(fā)套件可與 PSoC Creator 集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE) 結(jié)合使用，基于 PSoC 5LP 開(kāi)發(fā)各種應(yīng)用。該開(kāi)發(fā)套件的主要元件如圖 6 所示。

圖 6： PSoC 5LP 開(kāi)發(fā)套件。

PSoC Creator 是與眾不同的 IDE；它可用于并行開(kāi)發(fā)在器件的可配置模擬塊中實(shí)現(xiàn)的嵌入式軟件（在本例中，運(yùn)行在 PSoC 5 的 ARM Cortex-M3 內(nèi)核上）和硬件特性。可以使用拖放方法將模擬功能添加到設(shè)計(jì)中，動(dòng)態(tài)生成 API，從而通過(guò)軟件訪(fǎng)問(wèn)這些功能。IDE 自帶大量預(yù)定義的放大器和濾波器，但也允許開(kāi)發(fā)人員自行創(chuàng)建功能。

為了示范 PSoC 5 的功能，Cypress 創(chuàng)建了大量應(yīng)用示例，包括實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能微逆變器控制器的示例。圖 7 顯示了該應(yīng)用的架構(gòu)概述。微逆變器涉及幾個(gè)轉(zhuǎn)換階段，包括紋波消除升壓控制、輸出電流控制、鎖相環(huán)控制和最大功率點(diǎn)跟蹤算法。此應(yīng)用能夠恰當(dāng)示范該平臺(tái)的功能。

圖 7： 使用 PSoC 5LP 實(shí)現(xiàn)的太陽(yáng)能微逆變器控制器。

總結(jié)

雖然軟件可以提供抽象的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)幾乎所有的任務(wù)或功能，但在性能方面卻很少能夠超越專(zhuān)用硬件。隨著人們對(duì)更高吞吐量和更高可配置性的需求增加，將硬件、軟件、數(shù)字和模擬域相結(jié)合的平臺(tái)作為單芯片解決方案也變得越來(lái)越可行。

這些 SoC 可以滿(mǎn)足需求，但是如同任何實(shí)現(xiàn)方式一樣，也需要做出一些妥協(xié)。并非所有 SoC 都能提供合適的硬接線(xiàn)功能。不可避免的是，沒(méi)有哪一種應(yīng)用有可能利用所有可用的特性，而且在某些情況下，靈活性較高的平臺(tái)的經(jīng)濟(jì)成本可能太高，以致難以承受。

不過(guò)，隨著技術(shù)的發(fā)展，這些妥協(xié)已經(jīng)變得不那么明顯，它們所提供的靈活性很可能為其在更廣泛應(yīng)用中的使用提供理由。