作為“門之海”，F(xiàn)PGA為任何數(shù)字功能提供了幾乎無限的平臺，可以使用通過各種寬度的查找表實現(xiàn)的邏輯表達式來實現(xiàn)。自成立以來，它提供了前所未有的靈活性，同時它們的均勻性和陣列式結構使它們成為最新制造節(jié)點的早期采用者。

盡管始終處于半導體技術的前沿，但性能仍然是依賴于日益復雜的路由模式和時鐘結構的架構的限制因素;正是出于這個原因，供應商首先使用硬連線的知識產(chǎn)權(IP)塊實現(xiàn)了關鍵功能。

對更高性能和最佳功耗的無窮無盡的需求促使FPGA供應商將越來越多的固定功能IP集成到他們的產(chǎn)品中。雖然stalwart可能認為這是對FPGA技術核心優(yōu)勢的侵蝕，但實際上它提供了對邏輯結構中難以實現(xiàn)或難以實現(xiàn)的補充功能的訪問。

高端FPGA的核心市場之一一直是電信;在這里，性能是關鍵，成本可以是次要的。為了滿足這一需求，F(xiàn)PGA現(xiàn)在集成了大量針對數(shù)據(jù)路徑的IP，例如高速以太網(wǎng)，以及其他串行收發(fā)器，以及最近的光學接口。它們與其他性能關鍵功能(如PLL和DSP模塊)相鄰。添加軟核處理器以處理控制路徑功能的能力意味著大型FPGA在該領域仍然非常流行，通常優(yōu)于ASIC。

雖然軟核可以解決許多任務，特別是在最新和最快的FPGA中，它們仍然有限，可能不適合性能很重要的其他任務。因此，有些自然地，IP集成的擴展看到了“硬”處理器內核的引入;這個概念經(jīng)過多次迭代才能完全實現(xiàn)，但現(xiàn)在正在許多應用領域產(chǎn)生重大影響。

在FPGA中嵌入硬核處理器內核的早期嘗試未能激發(fā)整個行業(yè)的興趣或革新技術：太多，太快，也許。整個行業(yè)都回歸到軟核選項上，但很快就會發(fā)現(xiàn)嵌入式處理器確實存在市場;它只需要正確的解決方案?？梢哉f，結果證明是ARM。

今天有許多FPGA提供嵌入式ARM內核以及軟核選項，原因很明顯;性能得到保證。此外，在FPGA架構中通過硬件加速擴展硬核的能力開辟了更多的應用領域，F(xiàn)PGA廠商現(xiàn)在熱衷于探索這些領域。

SoC

從概念上講，F(xiàn)PGA供應商將邏輯結構和硬IP集成為片上系統(tǒng)(SoC)方法，這一術語被處理器供應商廣泛使用。整合其他功能。這包括提供可配置邏輯的處理器，例如賽普拉斯的PSoC系列。在性能方面，嵌入式處理器子系統(tǒng)不僅適用于高端產(chǎn)品; Altera現(xiàn)在在其高性能Stratix，中檔Arria和低成本Cyclone系列中提供基于ARM的SoC解決方案。

從系統(tǒng)層面來說，在FPGA中包含處理器子系統(tǒng)不需要在物理上支配它。圖1顯示了Altera的Arria V，它清楚地顯示了基于ARM Cortex-A9 MPCore子系統(tǒng)的硬處理器系統(tǒng)(HPS)，它只占硅的一小部分。這反映在圖2中，即低成本Cyclone V的框圖，它也集成了HPS。

圖1：Altera Arria V系列中檔SoC采用供應商硬核處理器系統(tǒng)(HPS)。

圖2：Altera的低電平-cost Cyclone V還具有HPS功能，可提供單核或雙核ARM Cortex-A9子系統(tǒng)及其FPGA架構。

在此配置中，每個內核包含32 KB的L1指令高速緩存和32千字節(jié)的L1數(shù)據(jù)高速緩存，單精度和雙精度浮點單元以及NEON媒體引擎，帶有CoreSight調試和跟蹤功能。還集成了另一個512 KB的共享二級高速緩存，以及64 KB的臨時RAM。包括一系列存儲器和通用接口 - 最多134個通用I/O.重要的是，HPS和FPGA可以獨立工作，但通過使用ARM的AMBA AXI總線橋構建的高帶寬系統(tǒng)互連保持緊密耦合，這使得HPS可以訪問FPGA架構，反之亦然。兩座橋都符合AMBA AXI-3標準。專用的32位配置端口允許HPS在啟動時配置FPGA。

主題的變化

與Altera一樣，Xilinx也采用了雙核ARM Cortex-A9 MPCore子系統(tǒng)方法來實現(xiàn)其SoC產(chǎn)品，但與其競爭對手不同，支持三個不同性能/價位的家庭，選擇在一個家庭中實現(xiàn)一系列的績效水平; Zynq-7000。

圖3：Xilinx的Zynq-7000系列還提供雙核ARM Cortex-A9子系統(tǒng)，帶有FPGA架構密度選項范圍。

與Altera的Cyclone V一樣，Zynq-7000還支持全部或部分重配置，允許部分FPGA繼續(xù)運行，而其余部分正在重新配置，而不會停止整個系統(tǒng)。處理器子系統(tǒng)還能夠獨立于FPGA邏輯運行。

雖然前兩個示例使用FPGA架構的“經(jīng)典”SRAM方法，需要在上電時加載配置數(shù)據(jù)，但也有基于Flash的SoC器件集成硬核的示例處理器提供更多“即時啟動”用例，例如Microsemi的SmartFusion2系列。

圖4：Microsemi的SmartFusion2 SoC FPGA的框圖。

圖5：Microsemi的SmartFusion2的ARM Cortex-M3子系統(tǒng)。

與此處推出的其他SoC不同，SmartFusion2系列真正解決了低功耗問題，顯然選擇了主要與微控制器應用相關的Cortex-M3內核，而不是Cortex-A類。由Altera和Xilinx提供，它更適合應用處理器類型的用例。在這種集成度下，SmartFusion2開始類似于通常不被認為是FPGA的其他解決方案，例如賽普拉斯的PSoC 5系列;然而，憑借高達150,000個邏輯單元的FPGA架構，SmartFusion2系列保留了其FPGA憑證。

結論

FPGA與處理器核心技術的集成歷史悠久且充滿了歷史。最初幾乎沒有什么希望，它可能有被完全注銷的危險。幸運的是，對于所有開發(fā)人員而言，F(xiàn)PGA供應商展示了一定程度的愿景，以確保其復興，這在很大程度上得益于軟核的成功。

現(xiàn)在，嵌入式硬核已牢固地“嵌入”工程師的解決方案工具箱中，對于許多應用而言，它實際上可以代表完整的片上系統(tǒng)。它并不止于此：Altera已經(jīng)宣布其下一代Stratix 10系列將集成四個64位ARM Cortex-A53內核，采用英特爾的Tri-Gate技術構建，具有真正前所未有的性能水平。

與過去一樣，看起來FPGA SoC的未來將是多變的，但可能會更加成功。