嵌入式FPGA與ARM總線連接支持整體處理解決方案

業(yè)界正在接受嵌入式現(xiàn)場可編程門陣列 （eFPGA），因?yàn)樵摷夹g(shù)已在多個流行工藝節(jié)點(diǎn)的硅片中可用并得到驗(yàn)證。eFPGA 正在以多種方式集成到芯片中，包括作為可重新配置的 I/O 處理器或加速器，在數(shù)據(jù)路徑或控制路徑中。這種方法的好處是它通過不將加速器綁定到固定功能來提供靈活性。

為此，芯片設(shè)計(jì)人員可以創(chuàng)建從 eFPGA 到 ARM 架構(gòu)的高級外圍總線 （APB）、AMBA 高性能總線 （AHB） 和 AMBA 高級可擴(kuò)展接口 （AXI） 總線的連接，從最簡單的接口到APB 從機(jī)到最復(fù)雜的 AXI 主機(jī)。

隨著網(wǎng)絡(luò)、深度學(xué)習(xí)和人工智能 （AI） 以及航空航天和國防等應(yīng)用對硬件加速的需求不斷增長，對片上系統(tǒng) （SoC） 和微控制器 （MCU） 設(shè)計(jì)的需求也在不斷發(fā)展。如今，常見的 SoC 具有集成數(shù)字信號處理 （DSP） 和 FPGA IP 塊，專用于特定 I/O 或處理工作負(fù)載，而主 CPU 內(nèi)核處理通用任務(wù)。這些架構(gòu)支持更高效、更靈活的整體處理解決方案。

尤其是 eFPGA，由于上述原因，最近越來越受歡迎。與傳統(tǒng)的 DSP 和 FPGA 不同，eFPGA 可以作為可重新配置的 IP 塊設(shè)計(jì)到芯片中，可以重新編程以處理不同的工作負(fù)載加速任務(wù)或在芯片組的整個生命周期內(nèi)管理不同的 I/O（圖 1）。

圖 1. Flex Logix 的 EFLX eFPGA IP 可以在 MCU 和 SoC 設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)為可重新配置的硬件加速塊或可重新編程的 I/O 塊。］

例如，對于使用 ARM 架構(gòu)的芯片設(shè)計(jì)人員，eFPGA 可以連接到 APB、AHB 或 AXI 處理器總線以利用這些優(yōu)勢。但是，考慮到多種組合（主/從 x AXI/AHB/APB x 外部接口邏輯或使用 eFPGA 實(shí)現(xiàn)），應(yīng)仔細(xì)考慮這些設(shè)計(jì)。

eFPGA I/O 資源

為了更好地了解如何使用標(biāo)準(zhǔn)接口將 eFPGA 設(shè)計(jì)成基于 ARM 的 MCU 或 SoC，我們將以 Flex Logix EFLX-2.5K 嵌入式 FPGA IP 內(nèi)核為例。

EFLX-2.5K eFPGA 是一個 1x1 陣列，由 2，520 個具有 632 個輸入和 632 個輸出的六輸入查找表 （LUT） 組成。它在 16 nm 工藝中的工作頻率約為 1 GHz，在 28 nm 工藝中優(yōu)于 500 MHz。因此，即使是最小的 eFPGA 也具有足以連接到最寬、最快的 ARM 總線的 I/O 資源和速度。

（注意：最大 7x7 的更大數(shù)組是可能的，每個增加的數(shù)組大小的 I/O 數(shù)量計(jì)算為 NxM 數(shù)組中的 N*632 輸入和 N*632 輸出。增加數(shù)組大小的 LUT 數(shù)量類似計(jì)算為 N*M*2520。）

eFPGA 作為 APB 從機(jī)

配置為 APB 從機(jī)的 eFPGA 通常會實(shí)現(xiàn)為可重新配置的 I/O 功能。例如，多種串行接口中的一種可以包括 UART、I2C 和 SPI。

在這種配置中，多個模塊連接到 APB 總線，該總線一次在一個模塊上運(yùn)行（圖 2）。每個塊都有內(nèi)存映射的地址空間（例如 128 個寄存器的 8 位），而總線上的數(shù)據(jù)可以是 8、16 或 32 位。8 位地址空間和 32 位數(shù)據(jù)需要 45 個輸入和 33 個輸出，而 16 位總線使用更少的 16 個輸入和 16 個輸出。

圖 2.配置為 APB 從機(jī)的 eFPGA 通常實(shí)現(xiàn)為包含多個存儲器映射塊的可配置 I/O 功能。APB 總線在每一個上同步運(yùn)行。

APB 從接口快速、簡單，可以在外部實(shí)現(xiàn)，也可以在 eFPGA 的邏輯中實(shí)現(xiàn)。例如，在此配置中，EFLX eFPGA 需要少于 10 個 LUT。如圖 3 所示，APB 從接口 Verilog 代碼和狀態(tài)圖也很簡短。

圖 3.當(dāng) eFPGA 配置為 APB 從接口時，Verilog 代碼和狀態(tài)圖很簡單。

eFPGA 作為 AXI 主機(jī)

AXI 總線由三個版本組成：AXI4、AXI4 Stream 和 AXI4 Lite。

圖 4 顯示了具有在 eFPGA 外部實(shí)現(xiàn)的包裝器的 AXI4 主設(shè)備。AXI 主包裝器的功能是處理所有總線協(xié)議，管理數(shù)據(jù)流控制，并在配置期間將 EFLX FPGA 與 AXI 總線隔離。

在這里，EFLX Reconfigurable Accelerator 充當(dāng)總線主控器，因此 CPU 不需要向內(nèi)存?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)和從內(nèi)存?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)。這可以將 CPU 卸載到可以與 EFLX 加速器并行運(yùn)行的其他任務(wù)上。

圖 4.配置為 AXI 主設(shè)備的 EFLX 可重配置加速器可以減輕 CPU 的總線管理任務(wù)負(fù)擔(dān)。

EFLX eFPGA 能夠支持窄或非常寬（128 字節(jié)）的 AXI 數(shù)據(jù)寬度，具體取決于加速器功能所需的帶寬。EFLX 陣列中的控制寄存器和 APB 從屬邏輯在 EFLX 陣列中實(shí)現(xiàn)并通過 APB 總線進(jìn)行控制。圖 2 所示的 APB 從接口示例可以實(shí)現(xiàn)控制寄存器接口。

圖 5 顯示了 AXI 總線架構(gòu)的高級圖，說明了主從連接。在將 eFPGA 實(shí)現(xiàn)為 AXI 主設(shè)備時，應(yīng)始終翻轉(zhuǎn) eFPGA 以簡化關(guān)閉、定時、輸入和輸出到/輸出。數(shù)據(jù)總線寬度可以是 1、2 或 4 字節(jié)等，最多 128 字節(jié)。

圖 5.為了簡化 AXI 總線中的主從連接，建議對 eFPGA 進(jìn)行翻轉(zhuǎn)。

即使對于復(fù)雜的總線主控，Verilog 代碼也相對簡單（圖 6）。

圖 6.使用 eFPGA 作為 AXI 總線主控器時，Verliog 代碼仍然相對簡單。

eFPGA 通過單獨(dú)的從接口

除了作為加速器或 I/O 處理器的陣列操作的總線連接之外，EFLX 等 eFPGA 還提供了一個單獨(dú)的從接口，用于加載配置位以根據(jù)需要進(jìn)行重新配置。外部 AXI 從包裝器也可用于與配置端口連接。

例如，使用 EFLX，配置位通常存儲在與 ARM 處理器代碼相同的閃存中。處理器啟動后，它使用直接存儲器訪問 （DMA） 通過配置從接口將配置位訪問到 eFPGA。

結(jié)論

隨著現(xiàn)代處理解決方案對靈活性和性能的需求日益增長，eFPGA 可以使用少量高速邏輯輕松連接到任何類型和寬度的 ARM 總線。經(jīng)過多年的復(fù)雜性和成本挑戰(zhàn)，基于 eFPGA 技術(shù)的可重構(gòu)加速器和 I/O 處理器已成為任何基于 ARM 的 SoC 或 ASIC 架構(gòu)師的易于使用的資源。

審核編輯：郭婷