作者：Clive Maxfield
关键词：FPGA,开发工具，方案
编者按： 最佳处理解决方案常常是由RISC、CISC、图形处理器与FPGA的组合提供，或由FPGA单独提供，或以硬处理器内核作为部分结构的FPGA提供。然而，许多设计人员不熟悉FPGA的功能、其发展脉络以及如何使用 FPGA。
现场可编程门阵列 (FPGA) 具有诸多特性，无论是单独使用，抑或采用多样化架构，皆可作为宝贵的计算资产；但是许多设计人员并不熟悉FPGA，也不清楚如何将这类器件整合到设计中。
解决办法之一是深入研究主要供应商提供的FPGA架构及相关工具。本文将介绍Microchip Technology的产品系列。
Microchip Technology的FPGA概览
Microchip Technology 的FPGA产品范围覆盖中低端，以具有优异可靠性的低功耗、高安全性器件为主。Microchip的FPGA广泛部署于有线和无线通信、国防和航空、工业嵌入式应用，拥有强大的DSP和存储器资源，并在硬件加速、人工智能、图像处理、边缘计算等应用中展示出了一定价值。
Microchip推出了三个主要FPGA系列：
所有FPGA都有配置单元，它们决定了每个可编程逻辑块的功能，以及逻辑块彼此之间和逻辑块与外部的连接方式。这些单元还可用于配置GPIO的接口标准、输入阻抗、输出压摆率等。
有些FPGA使用基于SRAM的配置单元，但这些是易失性存储器，当系统断电时，其内容会丢失。而且，当系统上电时，必须从外部来源（通常是闪存器件）加载配置数据。这些FPGA需要花费非常长的时间来完成上电和使用前的准备工作。
有些FPGA使用片上闪存来存储配置数据，但仍有基于SRAM的配置单元。在这种情况下，当上电时，片上控制器将配置数据从闪存配置存储器复制到SRAM配置单元。这些FPGA的上电速度比纯SRAM产品要快。
Microchip的IGLOO2 FPGA和SmartFusion2 SoC FPGA采用不同的机制，片上配置存储器和片上配置单元均采用闪存技术实现。在PolarFire器件中，配置单元基于硅氧化氮氧化硅 (SONOS) 非易失性存储器 (NVM) 技术，可以将其视为“类似闪存，但更好”。
由于配置数据存储在非易失性闪存（或SONOS）单元中，因此Microchip的FPGA和SoC FPGA可以“即时启动”。也就是说，它们的上电速度比任何其他类型的FPGA都要快。这些器件也包含闪存配置存储器的原因是，在将新配置加载到此配置中的同时，FPGA可以使用其配置单元中的现有配置继续运行。一旦新配置下载完成并得到了验证（配置可以加密并附带循环冗余校验 (CRC)），便可将器件置于安全状态，同时使用配置存储器中存储的新配置覆盖配置单元中存储的原始配置。
传统器件：IGLOO2 FPGA
IGLOO2是出色的综合型中低端FPGA。许多设计人员认为这些器件是“传统”FPGA器件。这些闪存FPGA器件非常适合执行通用功能，例如千兆位以太网或双PCI Express控制平面、桥接功能、输入/输出 (I/O) 扩展和转换、视频和图像处理、系统管理以及安全连接。应用范围非常广泛，包括通信、工业、医疗、国防和航空。
图 1：IGLOO2 FPGA非常适合执行通用功能，例如千兆位以太网或双 PCI Express控制平面、桥接功能、I/O扩展和转换、视频和图像处理、系统管理以及安全连接。 （图片来源：Microchip Technology）
IGLOO2器件的典型例子是M2GL025-FGG484I ，它有27,696个LE、1,130,496位RAM和267 个I/O。为使设计人员能够研究和试验IGLOO2 FPGA系列的特性，Microchip还推出了相应的IGLOO2评估套件M2GL-EVAL-KIT （图2）。
图 2：M2GL-EVAL-KIT是用于 IGLOO2的评估套件，功能集成度高，具有低功耗、高可靠性、高级安全性等特性。（图片来源：Microchip Technology）
入门级SoC：SmartFusion2 SoC FPGA
SmartFusion2 SoC FPGA基于IGLOO2器件的传统可编程结构，并增加了32位硬处理器核。由于该处理器是Arm®
Cortex® 系列的主打产品，因此SmartFusion2系列为进入SoC FPGA世界提供了一个很好的切入点。
这些SoC FPGA提供5,000至150,000个LE和一个166兆赫兹 (MHz) Arm Cortex-M3处理器，并且包括嵌入式跟踪宏单元 (ETM) 和指令缓存并带有片上eSRAM与嵌入式NVM (eNVM)；还包括完整的微控制器子系统，并且配有CAN、TSE、USB等丰富的外设。
图 3：SmartFusion2 SoC FPGA提供 5,000至 150,000个 LE和一个166MHz Arm Cortex-M3处理器，并且包括 ETM和指令缓存并带有片上 eSRAM与 eNVM；还包括完整的微控制器子系统，并且配有 CAN、TSE、USB等丰富的外设。（图片来源：Microchip Technology）
SmartFusion2器件的典型例子是M2S025-FCSG325I ，它有25,000个LE、256KB闪存、64KB RAM和一个166MHz 32位Arm Cortex-M3处理器子系统。为使设计人员能够研究和试验SmartFusion2 SoC FPGA系列的特性，Microchip还推出了相应的SmartFusion2创客开发板M2S010-MKR-KIT （图4）。
图 4：SmartFusion2创客开发板是用于SmartFusion2 SoC FPGA的低成本评估套件，它将Arm Cortex-M3处理器与基于闪存的FPGA结构结合在一个芯片上，另有许多由 SoC用户惯常使用的外设，例如 RAM和DSP块。 （图片来源：Microchip Technology）
SmartFusion2创客开发板附加了以太网接口、环境光传感器、SPI闪存、八个用户LED和两个用户按钮。该板还有两个无载但已布局好的连接，支持ESP32 和ESP8266 Wi-Fi/蓝牙模块（不包括在内）。它支持通过USB端口进行JTAG编程、UART通信和为电路板供电。此外，该板还有SPI闪存、50MHz时钟源和Microchip的VSC8541 物理层 (PHY)，后者支持100Mbps或1Gbps以太网。
高性价比器件：PolarFire FPGA和SoC FPGA
PolarFire FPGA是成本经过优化且采用28nm工艺技术实现的高性能器件。这些器件提供中等密度，但功耗最低，并具有高度的安全性和可靠性。
该产品系列涵盖100,000到500,000个LE，具有12.7Gb收发器，设计功耗最多比同类中端FPGA低50%。这些器件非常适合有线接入网络和蜂窝基础设施、国防和商业航空航天市场以及工业自动化和物联网市场中的广泛应用。
图 5：PolarFire FPGA具有100,000到500,000个LE和 12.7Gb收发器，设计功耗最多比同类中端FPGA低50%。（图片来源：Microchip Technology）
网络安全是网络边缘互连器件的首要考虑因素，因此对于开发人员而言，仅满足设计的功能要求是不够的，还要确保安全。安全性始于芯片制造，并一直持续到系统部署和运行。Microchip推出的PolarFire FPGA是业界最先进的安全可编程FPGA。
许多针对复杂电子设备的应用在设计中都有一定程度的安全要求。PolarFire FPGA专为高可靠性、高可用性的安全和任务关键型系统而设计，适用于工业、航空、军事、通信等应用。PolarFire 之所以适合这些应用，是因为具有如下特性：
零失效率 (FIT)
FPGA配置 抗SEU存储器 具有单错误纠正、双错误检测
(SECDED) 功能的存储控制器 内置自检 无需外部配置器件 PolarFire器件的典型例子是MPF100T-FCSG325I ，它有109,000个LE、7,782,400位RAM和170个I/O。为使设计人员能够研究和试验PolarFire FPGA系列的特性，Microchip还推出了相应的PolarFire FPGA评估套件MPF300-EVAL-KIT （图6）。
图 6：为使设计人员能够研究和试验 PolarFire FPGA系列的特性，Microchip还推出了相应的MPF300-EVAL-KIT FPGA评估套件。 （图片来源：Microchip Technology）
PolarFire产品线仍在进一步发展。在撰写本文时，Microchip Technology披露了有关即将推出的PolarFire SoC FPGA系列的详细信息。该系列将拥有经过强化且支持Linux、基于开源64位RISC-V的实时微处理器子系统。
使用Microchip Technology的FPGA进行设计与开发
最常用的FPGA开发技术之一是语言驱动设计 (LDD)。这涉及使用Verilog、VHDL或SystemVerilog等硬件描述语言 (HDL)，在抽象级别（即寄存器传送级 (RTL)）上捕获设计意图。通过逻辑仿真进行验证之后，该表达式将连同目标FPGA类型、引脚分配和时序约束（例如最大输入到输出延迟）等其他信息一并传输至合成引擎。合成引擎输出配置文件，对于Microchip FPGA或SoC FPGA，配置文件直接加载到FPGA中，而对基于SRAM的器件而言，配置文件则是加载到外部存储器件中（图5）。
图 7：通过逻辑仿真进行验证之后，RTL设计描述将与 FPGA类型、引脚分配和时序约束等其他设计细节一并传输至合成引擎。合成引擎输出的配置文件直接加载到 FPGA中。 （图片来源：Max Maxfield） Libero SoC设计套件 属于此类工具。该软件提供了一套全面的易学易用的集成开发工具，支持使用Microchip的IGLOO2和PolarFire FPGA以及SmartFusion2和PolarFire SoC FPGA进行设计。该套件将行业标准Synopsys Synplify Pro综合、Mentor Graphics的ModelSim仿真与约束管理、编程和调试工具、安全生产编程支持集成在一起。
除了使用Verilog、VHDL或SystemVerilog以文本格式捕获设计之外，该套件还包含图形输入功能，可以将系统定义为连接块的层次结构，较低级的块以用户定义的HDL或第三方IP表示。
另外，还有System Builder ，它是一种易于使用的设计工具，可引导用户解决一系列高级问题来定义目标系统。System Builder首先询问有关目标系统架构的问题，然后添加需要在可编程结构中作为软内核实现的所有其他外设，最后创建一个“设计即正确”的完整系统。
最后但并非最不重要的一点是SoftConsole 集成开发环境 (IDE)；对于Microchip的FPGA和SoC FPGA中实例化的32位软处理器，以及SmartFusion2和PolarFire SoC FPGA中的32位和64位硬处理器内核来说，该IDE有利于快速开发裸机和基于RTOS的C/C++软件。
总结
最佳处理设计解决方案常常是由处理器与FPGA的组合提供，或由FPGA单独提供，或以硬处理器内核作为部分结构的FPGA提供。作为一项技术，FPGA多年来发展迅速，能够满足灵活性、处理速度、功耗等多方面的设计需求，非常适合智能接口、机器视觉和AI等众多应用。
如本文所述，Microchip Technology的FPGA和SoC FPGA产品范围覆盖中低端，以具有优异可靠性的低功耗、高安全性器件为主。这些FPGA具有强大的信号处理和存储器资源，是在通信、工业、军事、航空等行业中开发硬件加速、人工智能、图像处理、边缘计算等应用的出色平台。
———————————————————–
如有任何问题，欢迎联系得捷电子Digi-Key客服团队。 中国(人民币)客服 中国(美金)／ 香港客服
到微信搜寻“digikey ”或“得捷电子 ” 关注我们官方微信 并登记成会员， 每周接收工程师秘技， 赚积分、换礼品、享福利
