可编程SoC帮助制造商在可配置性和性能之间找到合适的平衡点

虽然半导体技术是所有电子产品的基础,但它是真正使我们的现代世界成为可能的软件。与硬件相比,软件提供了几乎无限的灵活性,在高性能微处理器上运行时,可以产生惊人的结果。例如,如果没有在最新的处理器上运行软件的组合,就不可能推进人工智能。
在过去的几十年里,硬件和软件之间的平衡发生了转变。人们普遍认为,现在大约70%的产品功能是在嵌入式软件层面定义的,几乎完全取决于其灵活性。
然而,随着应用程序推动性能的界限,这种不平衡性成为一个限制因素。软件最终是抽象形式的函数的实现,在执行时间方面有不可避免的开销。在晶体管级别的专用硬件中实现的相同功能将总是更快地执行。性能增益通常是以灵活性为代价的,但是由于集成了三个关键技术的设备,处理性能和灵活性之间的平衡变得更加容易。固定功能; 和可重新配置的硬件。

高性能优化解决方案

集成了这三种技术的设备通常被称为片上系统(SoC)。就其性质而言,通过在单一平台中集成所有这些特性的最佳功能,它们比固定功能器件具有更大的灵活性,提高了对微控制器的可配置性,以及比FPGA更多的功能多样性。
为什么这是一个很好的应用程序组合有几个原因。性能是主要的,可以解释为吞吐量或实时响应。低功耗和优化的设计可能是另一个。可以在单个设备上集成的功能越多,所需的外部组件就越少。这些场景涵盖了SoC的两个“角落点”,即那些提供纯粹性能和提供优化设计的角落。
如果吞吐量是最终目标,那么以ASIC的形式完全定制设计所提供的性能是难以超越的。然而,在NRE成本下降的同时,开发ASIC的成本仍需要与单位价格相权衡,而且这个数字通常只能在大批量商业上运行。长久以来,FPGA技术在一个平台上为工业提供了类似于ASIC的性能,在器件离开代工厂之后可以进行配置。底层技术使用查找表来模仿全定制逻辑,但是总是有一些硬连线功能的集成,尤其是如果它涉及一个逻辑上不容易被仿真的功能。最近,这已经发展到包括处理器子系统,这些子系统将这些器件牢牢地放在SoC类别中。FPGA的行业领导者提供的器件结合了SoC的三个关键元素。这包括Zynq®的UltraScale +家族从Xilinx公司,它设有带加上的ARM Cortex-R5芯双核或四ARM®Cortex®-A53芯的装置。
虽然这些设备的目标应用需要高性能,落入第二类的SoC包括SmartFusion2 SoC的FPGA系列从Microsemi的和的PSoC 5LP家庭从赛普拉斯半导体。这两款器件都将ARM Cortex-M3内核与硬连线功能和可配置硬件集成在一起。所提到的所有设备均由平台提供支持,这些平台在硬件和软件两个层面上为应用程序开发提供全面的支持。

多核SoC

赛灵思的ZCU102评估板采用Zynq UltraScale + XCZU9EG多处理器SoC,可提供令人难以置信的高集成度。其多核处理能力包括与FPGA逻辑,连接接口和图形处理单元(图1)紧密耦合的Cortex-A53 64位四核处理器和Cortex-R5双核实时处理器。
高度集成的Xilinx Zynq UltraScale + EG的框图(点击放大)
图1:高度集成的Xilinx Zynq UltraScale + EG的框图。
评估板(图2)具有连接到处理子系统的4 Gbit DDR4 SODIMM以及连接到可编程逻辑的另外的512 Mbit DDR4存储器。它还包括用于进一步扩展的两个FPGA夹层卡(FMC)接口以及高级接口(PCIe Gen2x4,USB3,显示端口,SATA),为汽车,工业,视频和计算机等领域的各种应用提供完美的评估平台。通信部门。
Xilinx ZCU102评估板功能的图片(点击放大)
图2:ZCU102评估板的主要特性
EG系列从约10万个系统逻辑单元扩展到超过100万个,配置逻辑块(CLB)查找表(LUT)从5万到50万不等。Zynq UltraScale +系列的这一可配置性级别与加固的多媒体模块和集成的高速外设配合使用,可以满足各种要求苛刻的应用。ZCU102评估板是开发人员的理想平台,其性能功耗比Zynq-7000系列高出五倍。

应用实例

性能需求不断增加,显然在通信部门内部。大部分互联网活动涉及存储在数据库中的信息,最常见的是SQL。加速SQL数据库的一种技术是使用高速缓冲存储器,通常使用具有集成DRAM的标准处理器来实现。
虽然这是有效的,但它也受到处理器架构的限制,而这种架构并不是为这种应用而设计的。使用像Zynq UltraScale +这样的设备为流数据提供了一个优化的解决方案,而不需要使用其所有高级功能来处理网络上的独立服务器。当使用标准的x86处理器进行测量时,这可以使性能提高四倍,功耗降低20倍。
在汽车行业,ADAS将进一步增加汽车摄像头的使用。这将创造SoC的需求,能够处理多达6个200万像素的摄像头,速度为30 fps。由于其高度集成,Zynq UltraScale +非常适合这一具有挑战性的应用。
ZCU102配备了开始开发这个和更多应用程序所需的所有工具和IP。它还包括一个Vivado设计套件:Design Edition凭证代码,该代码在板上的XCZU9EG上被节点锁定和设备锁定。

物联网SoC

物联网通常被描绘成一个资源和功能有限的设备网络,但也涉及许多现有应用的连接和自动化。凭借其高集成度,提供适当级别的功能和低功耗的SoC可以为连接的设备提供理想的平台。
例如,Microsemi的SmartFusion2是针对电机控制和工业自动化应用的,但是可以很容易地构成安全连接设备的基础。它将基于闪存的FPGA架构与ARM Cortex-M3内核以及高性能通信接口(包括CAN,千兆以太网,HS-USB和PCIe)以及DDR2 / DDR3内存控制器集成在一起。为了支持使用SmartFusion2开发应用程序,Microsemi开发了SmartFusion2高级开发套件。电路板的主要特点如图3和图4所示。
Microsemi SmartFusion2高级评估套件的框图
图3:SmartFusion2高级评估套件的框图。
Microsemi SmartFusion2高级开发套件的图片(点击放大)
图4:Microsemi的SmartFusion2高级开发套件。
使用此套件,Microsemi创建了一个演示应用程序,它提供了创建安全Web服务器所需的所有软件和支持,该服务器支持用于发送和接收加密数据的TLS / SSL安全协议; 这正是目前正在部署在物联网中的那种应用程序。
如图5所示,应用程序层接收来自客户端浏览器的请求,并响应静态网页,而服务器应用程序在SmartFusion2上运行。TLS / SSL协议是使用开源库PolarSSL实现的。传输层(TCP / IP)由更多的开放源代码软件启用,可以使用或不使用操作系统。在这个例子中,FreeRTOS开源的实时操作系统被用来确定任务的优先级和时间安排。高级开发套件也可以配置为运行uClinux,这是一个基于Linux内核的操作系统,由Microsemi为SmartFusion2 SoC修改。
安全的Web服务器应用程序概述
图5:在SmartFusion2上实现的安全Web服务器应用程序的概述。
SmartFusion2拥有150,000个逻辑单元,166 MHz Cortex-M3内核和专用DSP模块,并结合嵌入式NVM(非易失性存储器)和SRAM,在可配置性和硬连线功能之间提供了强大的平衡。高级开发套件利用PCIe边缘连接器,FMC连接器,两个千兆位以太网端口,SPI和UART的支持来发挥这种潜力。高性能运算放大器的添加使器件的功耗可以在开发过程中进行测量,帮助开发人员在给定的功耗预算内设计最佳解决方案。

优化的设计

单芯片解决方案可以应用于广泛的应用,数字,模拟和存储器的正确组合可以集成在一起,以提供优化和定制的设备。它总是导致更小的PCB面积,更少的外部元件和更低的BOM成本。
可编程模拟器件比数字器件少得多,可以说赛普拉斯半导体公司的PSoC系列占主导地位。PSoC器件或可编程SoC采用微控制器内核,硬件模块和可编程逻辑,但其可配置的模拟外设可通过开关电容技术,运算放大器,比较器,ADC和DAC以及数字滤波器模块进行区分。这些特性共同使得能够构建与芯片上的数字功能紧密耦合的复杂模拟信号路径的配置。
的CY8CKIT-050开发套件可与PSoC Creator中集成开发环境(IDE)结合使用,以开发一系列的基于所述的PSoC 5LP应用程序。开发工具包的主要元素如图6所示。
赛普拉斯PSoC 5LP开发套件的图片
图6:PSoC 5LP开发套件
PSoC Creator是一个有区别的IDE; 它可以用于嵌入式软件(在这种情况下,运行在PSoC 5的ARM Cortex-M3内核上)和硬件特性的并行开发,以及该器件的可配置模拟模块。使用拖放方法,模拟功能可以添加到设计中,动态生成API,允许通过软件访问功能。IDE带有大量的预先定义的放大器和滤波器,也允许开发人员创建自己的功能。
为了演示PSoC 5的功能,赛普拉斯创建了一些应用实例,包括实现太阳能微型逆变器控制器。图7显示了该应用程序的架构概览。微型逆变器涉及几个转换阶段,包括纹波消除升压控制,输出电流控制,锁相环控制和最大功率点跟踪算法。这是一个恰当地演示平台功能的应用程序。
使用PSoC 5LP实现的太阳能微型逆变器控制器的示意图
图7:使用PSoC 5LP实现的太阳能微型逆变器控制器。

结论

虽然软件提供了几乎任何任务或功能的抽象方式,但是专用硬件在性能方面很少被打败。随着对更高吞吐量和更高可配置性的需求增加,结合硬件,软件,数字和模拟域的平台作为单芯片解决方案变得越来越可行。
这些SoC可以满足需求,但是如同任何实现一样,都有妥协。并非所有SoC都提供正确的硬连线功能。不可避免的是,没有一个应用程序可能会利用所有可用的功能,在某些情况下,更灵活的平台的财务成本可能太高。
然而,随着技术的发展,这些妥协变得不那么明显了,它们所提供的灵活性可能为其在更广泛的应用中的使用提供了理由。

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