編者按：最佳處理解決方案常常是由 RISC、CISC、圖形處理器與 FPGA 的組合提供，或由 FPGA 單獨提供，或以硬處理器內(nèi)核作為部分結(jié)構(gòu)的 FPGA 提供。然而，許多設(shè)計人員不熟悉 FPGA 的功能、其發(fā)展脈絡(luò)以及如何使用 FPGA。本系列文章由多個部分組成，第 1 部分詳細介紹了 FPGA 的基本概念。第 2 部分重點介紹了 Lattice Semiconductor 的 FPGA 產(chǎn)品。本文是第 3 部分，聚焦于 Microchip Technology（通過子公司 Microsemi Corporation）提供的 FPGA 器件系列和設(shè)計工具。第 4 部分和第 5 部分將分別介紹 Altera 和 Xilinx 的 FPGA 及工具。
如第 1 部分所述，現(xiàn)場可編程門陣列 (FPGA) 具有諸多特性，無論是單獨使用，抑或采用多樣化架構(gòu)，皆可作為寶貴的計算資產(chǎn)；但是許多設(shè)計人員并不熟悉 FPGA，亦不清楚如何將這類器件整合到設(shè)計中。
解決辦法之一是深入研究主要供應(yīng)商提供的 FPGA 架構(gòu)及相關(guān)工具。本文將介紹 Microchip Technology 的產(chǎn)品系列。
高級 FPGA 選件概覽
市場上有許多不同類型的 FPGA，每種類型都有不同的功能和特性組合。可編程結(jié)構(gòu)是所有 FPGA 的核心，它以可編程邏輯塊陣列的形式呈現(xiàn)，也稱為邏輯元件 (LE)（圖 1a）。FPGA 結(jié)構(gòu)可進一步擴展，以包括 SRAM 塊（稱為塊 RAM (BRAM)）、鎖相環(huán) (PLL) 和時鐘管理器之類的東西（圖 1b）。此外，還可以添加數(shù)字信號處理 (DSP) 塊（稱為 DSP 切片）和高速串行器/解串器 (SERDES)（圖 1c）。
圖 1：最簡單的 FPGA 僅包含可編程結(jié)構(gòu)和可配置通用 IO (GPIO) (a)；不同架構(gòu)是在此基本結(jié)構(gòu)上增加其他元件而形成：SRAM 塊、PLL 和時鐘管理器 (b)；DSP 塊和 SERDES 接口 (c)；以及硬處理器內(nèi)核和外設(shè) (d)。（圖片來源：Max Maxfield）
外設(shè)接口功能（如 CAN、I2C、SPI、UART 和 USB）可以作為可編程結(jié)構(gòu)中的軟內(nèi)核來實現(xiàn)，但許多 FPGA 將其作為硬內(nèi)核在硅片中實現(xiàn)。同樣，微處理器也可以實現(xiàn)為可編程結(jié)構(gòu)中的軟內(nèi)核，或作為硬內(nèi)核在硅片中實現(xiàn)（圖 1d）。具有硬處理器內(nèi)核的 FPGA 稱為片上系統(tǒng) (SoC) FPGA。不同 FPGA 針對不同的市場和應(yīng)用提供不同的功能、特性和容量集合。
FPGA 供應(yīng)商有很多，包括 Altera（被 Intel 收購）、Atmel（被 Microchip Technology 收購）、Lattice Semiconductor、Microsemi（也被 Microchip Technology 收購）和 Xilinx。
所有這些供應(yīng)商都提供多個 FPGA 系列；有的提供 SoC FPGA，有的則針對航天等高輻射環(huán)境提供耐輻射器件。由于產(chǎn)品系列眾多，每個系列提供不同的資源，因此為眼前的任務(wù)選擇最佳器件可能很棘手。
Microchip Technology 的 FPGA 介紹
Microchip Technology 的 FPGA 產(chǎn)品范圍覆蓋中低端，以具有優(yōu)異可靠性的低功耗、高安全性器件為主。Microchip 的 FPGA 廣泛部署于有線和無線通信、國防和航空、工業(yè)嵌入式應(yīng)用，擁有強大的 DSP 和存儲器資源，并在硬件加速、人工智能、圖像處理、邊緣計算等應(yīng)用中展示出了一定價值。
Microchip 推出了三個主要 FPGA 系列：
IGLOO?2 FPGA：具有大量資源的低密度器件
SmartFusion?2 SoC FPGA：具有大量資源和 32 位硬處理器內(nèi)核的低密度器件
PolarFire? FPGA 和 SoC FPGA：成本經(jīng)過優(yōu)化的高性能器件，并采用 28 納米 (nm) 工藝技術(shù)實現(xiàn)
所有 FPGA 都有配置單元，它們決定了每個可編程邏輯塊的功能，以及邏輯塊彼此之間和邏輯塊與外部的連接方式。這些單元還可用于配置 GPIO 的接口標準、輸入阻抗、輸出壓擺率等。
有些 FPGA 使用基于 SRAM 的配置單元，但這些是易失性存儲器，當系統(tǒng)斷電時，其內(nèi)容會丟失。而且，當系統(tǒng)上電時，必須從外部來源（通常是閃存器件）加載配置數(shù)據(jù)。這些 FPGA 需要花費非常長的時間來完成上電和使用前的準備工作。
有些 FPGA 使用片上閃存來存儲配置數(shù)據(jù)，但仍有基于 SRAM 的配置單元。在這種情況下，當上電時，片上控制器將配置數(shù)據(jù)從閃存配置存儲器復制到 SRAM 配置單元。這些 FPGA 的上電速度比純 SRAM 產(chǎn)品要快。
Microchip 的 IGLOO2 FPGA 和 SmartFusion2 SoC FPGA 采用不同的機制，片上配置存儲器和片上配置單元均采用閃存技術(shù)實現(xiàn)。在 PolarFire 器件中，配置單元基于硅氧化氮氧化硅 (SONOS) 非易失性存儲器 (NVM) 技術(shù)，可以將其視為“類似閃存，但更好”。
由于配置數(shù)據(jù)存儲在非易失性閃存（或 SONOS）單元中，因此 Microchip 的 FPGA 和 SoC FPGA 可以“即時啟動”。也就是說，它們的上電速度比任何其他類型的 FPGA 都要快。這些器件也包含閃存配置存儲器的原因是，在將新配置加載到此配置中的同時，F(xiàn)PGA 可以使用其配置單元中的現(xiàn)有配置繼續(xù)運行。一旦新配置下載完成并得到了驗證（配置可以加密并附帶循環(huán)冗余校驗 (CRC)），便可將器件置于安全狀態(tài)，同時使用配置存儲器中存儲的新配置覆蓋配置單元中存儲的原始配置。
傳統(tǒng)器件：IGLOO2 FPGA
IGLOO2 是出色的綜合型中低端 FPGA。許多設(shè)計人員認為這些器件是“傳統(tǒng)”FPGA 器件。這些閃存 FPGA 器件非常適合執(zhí)行通用功能，例如千兆位以太網(wǎng)或雙 PCI Express 控制平面、橋接功能、輸入/輸出 (I/O) 擴展和轉(zhuǎn)換、視頻和圖像處理、系統(tǒng)管理以及安全連接。應(yīng)用范圍非常廣泛，包括通信、工業(yè)、醫(yī)療、國防和航空。
圖 2：IGLOO2 FPGA 非常適合執(zhí)行通用功能，例如千兆位以太網(wǎng)或雙 PCI Express 控制平面、橋接功能、I/O 擴展和轉(zhuǎn)換、視頻和圖像處理、系統(tǒng)管理以及安全連接。（圖片來源：Microchip Technology）
IGLOO2 FPGA 提供 5,000 至 150,000 個 LE（邏輯單元），具有高性能存儲子系統(tǒng)、高達 512 KB 的嵌入式閃存、2 x 32 KB 的嵌入式靜態(tài)隨機存取存儲器 (SRAM)、兩個直接存儲器訪問 (DMA) 引擎以及兩個雙倍數(shù)據(jù)速率 (DDR) 控制器。這些器件還有多達 16 個收發(fā)器通道、集成 DSP 處理器塊和抗/耐單粒子翻轉(zhuǎn) (SEU) 的存儲器。為了安全起見，器件進行了差分功率分析 (DPA) 加固，并使用 AES256 和 SHA256 加密以及按需 NVM 數(shù)據(jù)完整性檢查。
IGLOO2 器件的典型例子是 M2GL025-FGG484I，它有 27,696 個 LE、1,130,496 位 RAM 和 267 個 I/O。為使設(shè)計人員能夠研究和試驗 IGLOO2 FPGA 系列的特性，Microchip 還推出了相應(yīng)的 IGLOO2 評估套件 val-KIT/1100-1173-ND/4384248">M2GL-eval-KIT（圖 3）。
圖 3：M2GL-eval-KIT 是用于 IGLOO2 的評估套件，功能集成度高，具有低功耗、高可靠性、高級安全性等特性。（圖片來源：Microchip Technology）
M2GL-eval-KIT 有助于輕松開發(fā)嵌入式應(yīng)用，涉及電機控制、系統(tǒng)管理、工業(yè)自動化和高速串行 I/O 應(yīng)用、PCI Express 和千兆位以太網(wǎng)。該套件具有很高的功能集成度，并提供低功耗、高可靠性、高級安全性等特性。該板也采用小巧尺寸、兼容 PCIe 的結(jié)構(gòu)，開發(fā)人員利用任何帶有 PCIe 槽的臺式 PC 或筆記本電腦即可進行原型設(shè)計。
入門級 SoC：SmartFusion2 SoC FPGA
SmartFusion2 SoC FPGA 基于 IGLOO2 器件的傳統(tǒng)可編程結(jié)構(gòu)，并增加了 32 位硬處理器核。由于該處理器是 Arm? Cortex? 系列的主打產(chǎn)品，因此 SmartFusion2 系列為進入 SoC FPGA 世界提供了一個很好的切入點。
這些 SoC FPGA 提供 5,000 至 150,000 個 LE 和一個 166 兆赫茲 (MHz) Arm Cortex-M3 處理器，并且包括嵌入式跟蹤宏單元 (ETM) 和指令緩存并帶有片上 eSRAM 與嵌入式 NVM (eNVM)；還包括完整的微控制器子系統(tǒng)，并且配有 CAN、TSE、USB 等豐富的外設(shè)。
圖 4：SmartFusion2 SoC FPGA 提供 5,000 至 150,000 個 LE 和一個 166 MHz Arm Cortex-M3 處理器，并且包括 ETM 和指令緩存并帶有片上 eSRAM 與 eNVM；還包括完整的微控制器子系統(tǒng)，并且配有 CAN、TSE、USB 等豐富的外設(shè)。（圖片來源：Microchip Technology）
這些閃存 SoC FPGA 器件非常適合執(zhí)行通用功能，例如千兆位以太網(wǎng)或雙 PCI Express 控制平面、橋接功能、I/O 擴展和轉(zhuǎn)換、視頻和圖像處理、系統(tǒng)管理以及安全連接。應(yīng)用范圍同樣很廣，包括通信、工業(yè)、醫(yī)療、國防和航空。
SmartFusion2 器件的典型例子是 M2S025-FCSG325I，它有 25,000 個 LE、256 KB 閃存、64 KB RAM 和一個 166 MHz 32 位 Arm Cortex-M3 處理器子系統(tǒng)。為使設(shè)計人員能夠研究和試驗 SmartFusion2 SoC FPGA 系列的特性，Microchip 還推出了相應(yīng)的 SmartFusion2 創(chuàng)客開發(fā)板 M2S010-MKR-KIT（圖 5）。
圖 5：SmartFusion2 創(chuàng)客開發(fā)板是用于 SmartFusion2 SoC FPGA 的低成本評估套件，它將 Arm Cortex-M3 處理器與基于閃存的 FPGA 結(jié)構(gòu)結(jié)合在一個芯片上，另有許多由 SoC 用戶慣常使用的外設(shè)，例如 RAM 和 DSP 塊。（圖片來源：Microchip Technology）
低成本 SmartFusion2 創(chuàng)客開發(fā)板由 Digi-Key Electronics 獨家銷售，為設(shè)計人員使用 SmartFusion2 系列提供了便利。這一特別的設(shè)備提供了一個基于閃存的 FPGA 架構(gòu)，具有 12,000 個 LE、一個 32 位 166 MHz Arm Cortex-M3 處理器、DSP 塊、SRAM、eNVM 和 GPIO 接口，所有元件全都集成在單個芯片上。
SmartFusion2 創(chuàng)客開發(fā)板附加了以太網(wǎng)接口、環(huán)境光傳感器、SPI 閃存、八個用戶 LED 和兩個用戶按鈕。該板還有兩個無載但已布局好的連接，支持 ESP32 和 ESP8266 Wi-Fi/藍牙模塊（不包括在內(nèi)）。它支持通過 USB 端口進行 JTAG 編程、UART 通信和為電路板供電。此外，該板還有 SPI 閃存、50 MHz 時鐘源和 Microchip 的 VSC8541 物理層 (PHY)，后者支持 100 Mbps 或 1 Gbps 以太網(wǎng)。
成本優(yōu)化的高性能器件：PolarFire FPGA 和 SoC FPGA
PolarFire FPGA 是成本經(jīng)過優(yōu)化且采用 28 nm 工藝技術(shù)實現(xiàn)的高性能器件。這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。
該產(chǎn)品系列涵蓋 100,000 到 500,000 個 LE，具有 12.7 Gb 收發(fā)器，設(shè)計功耗最多比同類中端 FPGA 低 50%。這些器件非常適合有線接入網(wǎng)絡(luò)和蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施、國防和商業(yè)航空航天市場以及工業(yè)自動化和物聯(lián)網(wǎng)市場中的廣泛應(yīng)用。
圖 6：PolarFire FPGA 具有 100,000 到 500,000 個 LE 和 12.7 Gb 收發(fā)器，設(shè)計功耗最多比同類中端 FPGA 低 50%。（圖片來源：Microchip Technology）
PolarFire FPGA 的總功耗比同類 FPGA 降低多達 50% 的主要原因是，片上配置存儲器和片上配置單元均采用 NVM 技術(shù)。這使得配置單元之間的漏電流非常低。另外，這也意味著這些器件在上電時也能真正地“即時啟動”，從而不會產(chǎn)生浪涌電流，配置電流也為零。
網(wǎng)絡(luò)安全是網(wǎng)絡(luò)邊緣互連器件的首要考慮因素，因此對于開發(fā)人員而言，僅滿足設(shè)計的功能要求是不夠的，還要確保安全。安全性始于芯片制造，并一直持續(xù)到系統(tǒng)部署和運行。Microchip 推出的 PolarFire FPGA 是業(yè)界最先進的安全可編程 FPGA。
許多針對復雜電子設(shè)備的應(yīng)用在設(shè)計中都有一定程度的安全要求。PolarFire FPGA 專為高可靠性、高可用性的安全和任務(wù)關(guān)鍵型系統(tǒng)而設(shè)計，適用于工業(yè)、航空、軍事、通信等應(yīng)用。PolarFire 之所以適合這些應(yīng)用，是因為具有如下特性：
PolarFire 器件的典型例子是 MPF100T-FCSG325I，它有 109,000 個 LE、7,782,400 位 RAM 和 170 個 I/O。為使設(shè)計人員能夠研究和試驗 PolarFire FPGA 系列的特性，Microchip 還推出了相應(yīng)的 PolarFire FPGA 評估套件 val-KIT/MPF300-eval-KIT-ND/9857412">MPF300-eval-KIT（圖 7）。
圖 7：為使設(shè)計人員能夠研究和試驗 PolarFire FPGA 系列的特性，Microchip 還推出了相應(yīng)的 MPF300-eval-KIT FPGA 評估套件。（圖片來源：Microchip Technology）
MPF300-eval-KIT 可針對各類應(yīng)用提供高性能評估。它非常適合用于高速收發(fā)器評估、10 Gb 以太網(wǎng)、IEEE1588、JESD204B、SyncE、CPRI 以及其他應(yīng)用。套件連接包括高引腳數(shù) (HPC) FPGA 夾層卡 (FMC)、大量 SMA、PCIe、雙千兆位以太網(wǎng) RJ45、SFP+ 和 USB。PolarFire FPGA 具有 300,000 個 LE、DDR4、DDR3 和 SPI 閃存，可用于開發(fā)廣泛的高性能設(shè)計。
PolarFire 產(chǎn)品線仍在進一步發(fā)展。在撰寫本文時，Microchip Technology 披露了有關(guān)即將推出的 PolarFire SoC FPGA 系列的詳細信息。該系列將擁有經(jīng)過強化且支持 Linux、基于開源 64 位 RISC-V 的實時微處理器子系統(tǒng)。
使用 Microchip Technology 的 FPGA 進行設(shè)計與開發(fā)
最常用的 FPGA 開發(fā)技術(shù)之一是語言驅(qū)動設(shè)計 (LDD)。這涉及使用 Verilog、VHDL 或 SystemVerilog 等硬件描述語言 (HDL)，在抽象級別（即寄存器傳送級 (RTL)）上捕獲設(shè)計意圖。通過邏輯仿真進行驗證之后，該表達式將連同目標 FPGA 類型、引腳分配和時序約束（例如最大輸入到輸出延遲）等其他信息一并傳輸至合成引擎。合成引擎輸出配置文件，對于 Microchip FPGA 或 SoC FPGA，配置文件直接加載到 FPGA 中，而對基于 SRAM 的器件而言，配置文件則是加載到外部存儲器件中（圖 6）。
圖 8：通過邏輯仿真進行驗證之后，RTL 設(shè)計描述將與 FPGA 類型、引腳分配和時序約束等其他設(shè)計細節(jié)一并傳輸至合成引擎。合成引擎輸出的配置文件直接加載到 FPGA 中。（圖片來源：Max Maxfield）
Microchip 的 Libero SoC 設(shè)計套件屬于此類工具。該軟件提供了一套全面的易學易用的集成開發(fā)工具，支持使用 Microchip 的 IGLOO2 和 PolarFire FPGA 以及 SmartFusion2 和 PolarFire SoC FPGA 進行設(shè)計。該套件將行業(yè)標準 Synopsys Synplify Pro 綜合、Mentor Graphics 的 ModelSim 仿真與約束管理、編程和調(diào)試工具、安全生產(chǎn)編程支持集成在一起。
除了使用 Verilog、VHDL 或 SystemVerilog 以文本格式捕獲設(shè)計之外，該套件還包含圖形輸入功能，可以將系統(tǒng)定義為連接塊的層次結(jié)構(gòu)，較低級的塊以用戶定義的 HDL 或第三方 IP 表示。
另外，還有 System Builder，它是一種易于使用的設(shè)計工具，可引導用戶解決一系列高級問題來定義目標系統(tǒng)。System Builder 首先詢問有關(guān)目標系統(tǒng)架構(gòu)的問題，然后添加需要在可編程結(jié)構(gòu)中作為軟內(nèi)核實現(xiàn)的所有其他外設(shè)，最后創(chuàng)建一個“設(shè)計即正確”的完整系統(tǒng)。
最后但并非最不重要的一點是 SoftConsole 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE)；對于 Microchip 的 FPGA 和 SoC FPGA 中實例化的 32 位軟處理器，以及 SmartFusion2 和 PolarFire SoC FPGA 中的 32 位和 64 位硬處理器內(nèi)核來說，該 IDE 有利于快速開發(fā)裸機和基于 RTOS 的 C/C++ 軟件。
總結(jié)
最佳處理設(shè)計解決方案常常是由處理器與 FPGA 的組合提供，或由 FPGA 單獨提供，或以硬處理器內(nèi)核作為部分結(jié)構(gòu)的 FPGA 提供。作為一項技術(shù)，F(xiàn)PGA 多年來發(fā)展迅速，能夠滿足靈活性、處理速度、功耗等多方面的設(shè)計需求，非常適合智能接口、機器視覺和 AI 等眾多應(yīng)用。
如本文所述，Microchip Technology 的 FPGA 和 SoC FPGA 產(chǎn)品范圍覆蓋中低端，以具有優(yōu)異可靠性的低功耗、高安全性器件為主。這些 FPGA 具有強大的信號處理和存儲器資源，是在通信、工業(yè)、軍事、航空等行業(yè)中開發(fā)硬件加速、人工智能、圖像處理、邊緣計算等應(yīng)用的出色平臺。
