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幾乎所有的電子設(shè)計(jì)師和嵌入式系統(tǒng)開發(fā)人員都聽過現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）。對于實(shí)際的FPGA器件，設(shè)計(jì)人員和開發(fā)人員都知道它擁有可編程架構(gòu)，能夠?qū)ζ溥M(jìn)行配置來而執(zhí)行想要的功能，但他們的了解可能僅限于此。同樣，當(dāng)涉及創(chuàng)建一個(gè)可以在FPGA上實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)時(shí)，他們可能聽過硬件描述語言（HDL）和寄存器轉(zhuǎn)換級電路（RTL）之類的術(shù)語，但可能并未充分理解它們的含義。

 

與Verilog或VHDL相似，HDL能讓FPGA設(shè)計(jì)人員描述設(shè)計(jì)意圖，正如軟件開發(fā)人員使用C或者C++等編程語言一樣。理解HDL的方式之一就是它可以用來描述同時(shí)發(fā)生的事物，這也是現(xiàn)實(shí)世界中硬件工作的方式。相比之下，軟件編程語言通常用于描述順序發(fā)生的事。

 

同時(shí)，RTL是常用于邏輯綜合引擎輸入的抽象級電路。該工具將RTL轉(zhuǎn)換到邏輯元件和互連網(wǎng)絡(luò)，然后在FPGA的可編程邏輯內(nèi)實(shí)現(xiàn)。邏輯綜合引擎可以比作軟件開發(fā)者的編譯器，后者采用高級程序作為輸入，并將其轉(zhuǎn)換為由處理器執(zhí)行的機(jī)器代碼。

 

FPGA的可編程結(jié)構(gòu)可用于構(gòu)建硬件加速器，以低功耗執(zhí)行數(shù)據(jù)處理任務(wù)。可編程結(jié)構(gòu)經(jīng)過配置后可創(chuàng)建一個(gè)或多個(gè)更適合處理決策任務(wù)的軟核處理器，這些處理器還可以控制硬件加速器，包括向其提供數(shù)據(jù)并根據(jù)結(jié)果采取相應(yīng)措施。

 

RISC-V就是這樣一種處理器，它是一種開源指令集架構(gòu)（ISA），可以通過開源許可免費(fèi)獲得。RISC-V開源硬件概念的創(chuàng)造者受到Linux開源軟件成功的啟發(fā)。RISC-V的一大優(yōu)勢是在各類設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中都有出色的軟件兼容性，并且目前這些處理器的使用急劇增長。

 

然而，對于想要使用這種處理器的非FPGA設(shè)計(jì)人員而言，問題在于他們?nèi)狈τ嘘P(guān)FPGA設(shè)計(jì)語言、工具和流程的專業(yè)知識(shí)。為了解決這個(gè)問題，低功耗可編程FPGA的領(lǐng)先供應(yīng)商萊迪思半導(dǎo)體開發(fā)了名為Lattice Propel™的工具，這是一款基于圖形用戶界面（GUI）的設(shè)計(jì)環(huán)境，任何用戶（無論是否具有FPGA專業(yè)知識(shí)）都能使用它以拖放的方式快速設(shè)計(jì)基于RISC-V處理器的系統(tǒng)。

 

Propel輸出的是RTL文件，可以發(fā)送到綜合引擎，生成可載入FPGA的配置文件。之后軟件開發(fā)人員可以在基于FPGA的RISC-V設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上運(yùn)行他們的RISC-V可執(zhí)行文件，正如在其他任何RISC-V處理器上運(yùn)行一樣。萊迪思為其FPGA客戶免費(fèi)提供RISC-V IP核。

 

基于FPGA的解決方案

 

數(shù)據(jù)處理要求有合適的計(jì)算引擎。開發(fā)者擁有諸多不同選擇，包括微處理器（MPU）、微控制器（MCU）、圖形處理器（GPU）、FPGA和SoC等器件。

 

MPU和MCU在執(zhí)行決策任務(wù)時(shí)效率很高，但是在實(shí)現(xiàn)原始數(shù)據(jù)處理算法時(shí)，無論是處理時(shí)間還是功耗都不太理想。SoC能以最低的功耗實(shí)現(xiàn)最高性能，但缺點(diǎn)是開發(fā)起來價(jià)格昂貴、耗費(fèi)資源且十分耗時(shí)，并且在此類芯片架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)的算法基本上都是固定無法更改的，而系統(tǒng)采用的協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)會(huì)不斷變化，因此會(huì)帶來很多問題。

 

某些數(shù)據(jù)處理任務(wù)（包括許多AI/ML算法）非常適合并行處理。FPGA的可編程架構(gòu)（圖1a）經(jīng)配置可實(shí)現(xiàn)硬件加速器（HA）功能，以大規(guī)模并行方式執(zhí)行任務(wù)（圖1b），從而顯著提高性能，同時(shí)降低功耗。

 

許多情況下還需要數(shù)據(jù)協(xié)處理功能，使用中央處理器（CPU）來強(qiáng)化硬件加速器，處理器可以執(zhí)行高級決策和控制功能。不同于直接在芯片中實(shí)現(xiàn)的硬核CPU，F(xiàn)PGA的可編程架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)軟核CPU以及相關(guān)的總線結(jié)構(gòu)（地址、數(shù)據(jù)、控制）和任何所需的外設(shè)IP功能（圖1c）。

需要注意的是，根據(jù)FPGA器件和用戶的要求，額外的可編程邏輯功能和外圍通信功能（例如USB、MIPI、I2C、SPI、CAN和UART）可以通過硬核和/或軟核實(shí)現(xiàn)。文章篇幅有限此處不作贅述。

 

使用軟核CPU有諸多優(yōu)點(diǎn)，包括能夠配置處理器的操作及許多可選功能，如動(dòng)態(tài)內(nèi)存訪問（DMA）控制器，從而對其精確調(diào)整，高效地滿足目標(biāo)應(yīng)用的要求。此外，如有需要，可以配置可編程結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)其他外設(shè)IP功能。如在人工智能應(yīng)用中，可以使用可編程邏輯資源來創(chuàng)建簡單的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于推理之類的任務(wù)。

 

RISC-V

 

如前所述，RISC-V是基于已有的精簡指令集計(jì)算機(jī)（RISC）原則的開源指令集架構(gòu)，可通過開源許可獲得。此外，許多公司目前提供支持RISC-V的RISC-V硬核或開源操作系統(tǒng)，并且?guī)追N主流的軟件工具鏈均支持該指令集。

 

RISC-V的模塊化設(shè)計(jì)包括基礎(chǔ)指令集和其他的擴(kuò)展指令集。在行業(yè)、技術(shù)界和教育機(jī)構(gòu)的共同努力下，兩者已得到長足的發(fā)展。基礎(chǔ)指令集規(guī)定了指令（及其編碼）、控制流、寄存器（及其大小）、存儲(chǔ)器和尋址、邏輯（即整數(shù)）操作以及輔助功能。僅基礎(chǔ)指令集就能實(shí)現(xiàn)具有全面軟件支持（包括通用編譯器）的通用計(jì)算機(jī)。

 

還可以通過可選拓展指令集實(shí)現(xiàn)額外功能，從而讓設(shè)計(jì)人員靈活選擇其應(yīng)用所需的功能。RISC-V定義了許多擴(kuò)展指令集，包括A（原子）、F（單精度浮點(diǎn)）、D（雙精度浮點(diǎn)）、Q（四精度浮點(diǎn)）和C（壓縮的16位指令以減少代碼尺寸，用于存儲(chǔ)空間有限的系統(tǒng)）。上述指令集均可靈活選擇。

 

圖2. 萊迪思是首個(gè)支持RISC-V的基于閃存和SRAM的FPGA供應(yīng)商。

 

與作為專用處理器的硬核實(shí)現(xiàn)相比，基于FPGA的軟核RISC-V擁有的巨大優(yōu)勢在于FPGA可重新配置的巨大潛力能夠滿足各種擴(kuò)展需求。

 

萊迪思RISC-V軟核IP套件擁有32位RISC-V處理器核以及可選的定時(shí)器和可編程中斷控制器（PIC）子模塊。該CPU核支持RV32I指令集、外部中斷和符合JTAG IEEE 1149.1規(guī)范的調(diào)試。

 

定時(shí)器子模塊是一個(gè)64位實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器，它將實(shí)時(shí)寄存器與另一個(gè)寄存器進(jìn)行比較以觸發(fā)定時(shí)器中斷。PIC子模塊最多將八個(gè)外部中斷輸入聚合為一個(gè)外部中斷。處理器核通過使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的32位AHB-L總線接口訪問子模塊寄存器。

 

萊迪思Propel

 

許多嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)人員都對使用FPGA很感興趣，但是一想到要使用傳統(tǒng)的FPGA設(shè)計(jì)工具和HDL就望而卻步。為了解決這一問題，萊迪思Propel采用了基于圖形用戶界面（GUI）的設(shè)計(jì)環(huán)境，任何用戶（無論是否具有FPGA專業(yè)知識(shí)）都能使用其拖放的設(shè)計(jì)方式快速構(gòu)建和配置基于RISC-V處理器的設(shè)計(jì)。

 

Propel輸出的是使用Verilog HDL語言的RTL文件，可以將其發(fā)送到綜合引擎，生成可載入FPGA的配置文件。該配置文件可用于萊迪思CrossLink™-NX（面向嵌入式視覺應(yīng)用）、Certus™-NX（通用FPGA）以及MachXO3D™和Mach™-NX FPGA（安全系統(tǒng)控制）系列產(chǎn)品。FPGA配置完成后，軟件開發(fā)人員可以在基于FPGA的RISC-V設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上運(yùn)行他們的RISC-V可執(zhí)行文件，正如在其他任何RISC-V處理器上運(yùn)行一樣。

 

Lattice Propel由兩個(gè)部分組成。首先是Propel Builder，它提供圖形化的拖放界面，讓用戶選擇IP模塊并將其連接在一起。這些IP模塊包括RISC-V處理器（帶有可選的定時(shí)器和中斷控制器）、AMBA總線結(jié)構(gòu)、接口、存儲(chǔ)器、輸入/輸出（I/O）等。用戶還可以方便地在線升級現(xiàn)有IP模塊和獲得新的IP模塊。

 

圖3.Propel界面直觀、易于使用、功能強(qiáng)大。

 

除了拖放IP實(shí)例化，Propel Builder還能自動(dòng)進(jìn)行引腳連接，通過向?qū)渲煤驮O(shè)置參數(shù)以及采用按構(gòu)造逐步校正進(jìn)行IP集成。

 

其次是萊迪思Propel SDK（軟件開發(fā)套件），可提供無縫的軟件開發(fā)環(huán)境。它擁有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的集成開發(fā)環(huán)境（IDE）和工具鏈。SDK還為Propel Builder定義的系統(tǒng)提供軟件/硬件調(diào)試功能以及軟件庫和板級支持包（BSP）。

 

需要注意的重要一點(diǎn)是，Propel可以很好地對接下游工具，并且它也是一個(gè)獨(dú)立的程序，且其大小僅為0.5 GB，可以快速輕松地下載和安裝。同樣令人感興趣的是，Propel的所有命令都可以用Tcl編寫，從而提高了設(shè)計(jì)效率并將其快速集成到用戶自己的設(shè)計(jì)環(huán)境中。

 

圖4. 無論是簡單的“Hello World”應(yīng)用還是復(fù)雜的嵌入式控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，Propel都能讓用戶快速完成設(shè)計(jì)

 

對于硬件設(shè)計(jì)，Propel是那些需要FPGA優(yōu)勢但缺乏FPGA硬件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)的理想選擇。此外，如果團(tuán)隊(duì)成員確實(shí)具有FPGA設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，那么他們還可以根據(jù)需要對設(shè)計(jì)做更為精確的控制。對于軟件設(shè)計(jì)，Propel提供行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的C/C ++開發(fā)環(huán)境。軟件開發(fā)人員似乎更多地使用現(xiàn)成的微控制器。

 

設(shè)計(jì)人員可以使用Propel在CrossLink-NX、Certus-NX和Mach-NX FPGA中快速輕松地生成基于RISC-V軟軟核的處理器系統(tǒng)，從而提供復(fù)雜的視頻處理、系統(tǒng)控制和系統(tǒng)安全功能，其延遲遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通過外部獨(dú)立處理器實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)。

 

總結(jié)

 

除了擁有以低功耗執(zhí)行高性能數(shù)據(jù)處理任務(wù)的邏輯功能和硬件加速器外，F(xiàn)PGA內(nèi)部的可編程架構(gòu)還可用于實(shí)現(xiàn)一個(gè)或多個(gè)更適合決策任務(wù)的軟核處理器，以及用于諸如硬件加速器之類的控制功能，包括向它們提供數(shù)據(jù)并根據(jù)結(jié)果采取措施。

 

RISC-V就是這樣一種處理器，它是一種開源指令集架構(gòu)（ISA），可以通過開源許可免費(fèi)獲得。萊迪思是首個(gè)支持RISC-V以及為其FPGA客戶免費(fèi)提供RISC-V IP核的基于閃存和SRAM的FPGA供應(yīng)商。

 

對于想要使用這種處理器的非FPGA設(shè)計(jì)人員而言，問題在于他們?nèi)狈τ嘘P(guān)FPGA設(shè)計(jì)語言、工具和流程的專業(yè)知識(shí)。為了解決這個(gè)問題，萊迪思提供了Propel來簡化設(shè)計(jì)流程，讓開發(fā)人員能夠快速設(shè)計(jì)基于RISC-V處理器的系統(tǒng)。