解讀Microchip Technology的FPGA進行設計與開發

作者：Clive"Max"Maxfield

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，或以硬處理器內核作為部分結構的FPGA提供。然而，許多設計人員不熟悉FPGA的功能、其發展脈絡以及如何使用FPGA。

現場可編程門陣列(FPGA)具有諸多特性，無論是單獨使用，抑或採用多樣化架構，皆可作為寶貴的計算資產；但是許多設計人員並不熟悉FPGA，也不清楚如何將這類器件整合到設計中。

解決辦法之一是深入研究主要供應商提供的FPGA架構及相關工具。本文將介紹MicrochipTechnology的產品系列。

高級FPGA選型概覽

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。可編程結構是所有FPGA的核心，它以可編程邏輯塊陣列的形式呈現，也稱為邏輯元件(LE)（圖1a）。FPGA結構可進一步擴展，以包括SRAM塊（稱為塊RAM(BRAM)）、鎖相環(PLL)和時鐘管理器之類的東西（圖1b）。此外，還可以添加數字信號處理(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僅包含可編程結構和可配置通用IO(GPIO)(a)；不同架構是在此基本結構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)；以及硬處理器內核和外設(d)。（圖片來源：MaxMaxfield）

外設接口功能（如CAN、I2C、SPI、UART和USB）可以作為可編程結構中的軟內核來實現，但許多FPGA將其作為硬內核在硅片中實現。同樣，微處理器也可以實現為可編程結構中的軟內核，或作為硬內核在硅片中實現（圖1d）。具有硬處理器內核的FPGA稱為片上系統(SoC)FPGA。不同FPGA針對不同的市場和應用提供不同的功能、特性和容量集合。

FPGA供應商有很多，包括Altera（被Intel收購）、Atmel（被MicrochipTechnology收購）、LatticeSemiconductor、Microsemi（也被MicrochipTechnology收購）和Xilinx。

所有這些供應商都提供多個FPGA系列；有的提供SoCFPGA，有的則針對航天等高輻射環境提供耐輻射器件。由於產品系列眾多，每個系列提供不同的資源，因此為眼前的任務選擇最佳器件可能很棘手。

MicrochipTechnology的FPGA概覽

MicrochipTechnology的FPGA產品範圍覆蓋中低端，以具有優異可靠性的低功耗、高安全性器件為主。Microchip的FPGA廣泛部署於有線和無線通信、國防和航空、工業嵌入式應用，擁有強大的DSP和存儲器資源，並在硬件加速、人工智能、圖像處理、邊緣計算等應用中展示出了一定價值。

Microchip推出了三個主要FPGA系列：

•IGLOO®2FPGA：具有大量資源的低密度器件
•SmartFusion®2SoCFPGA：具有大量資源和32位硬處理器內核的低密度器件
•PolarFire™FPGA和SoCFPGA：成本經過優化的高性能器件，並採用28納米(nm)工藝技術實現

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。這些單元還可用於配置GPIO的接口標準、輸入阻抗、輸出壓擺率等。

有些FPGA使用基於SRAM的配置單元，但這些是易失性存儲器，當系統斷電時，其內容會丟失。而且，當系統上電時，必須從外部來源（通常是閃存器件）加載配置數據。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據，但仍有基於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據從閃存配置存儲器複製到SRAM配置單元。這些FPGA的上電速度比純SRAM產品要快。

Microchip的IGLOO2FPGA和SmartFusion2SoCFPGA採用不同的機制，片上配置存儲器和片上配置單元均採用閃存技術實現。在PolarFire器件中，配置單元基於硅氧化氮氧化硅(SONOS)非易失性存儲器(NVM)技術，可以將其視為“類似閃存，但更好”。

由於配置數據存儲在非易失性閃存（或SONOS）單元中，因此Microchip的FPGA和SoCFPGA可以“即時啓動”。也就是説，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，FPGA可以使用其配置單元中的現有配置繼續運行。一旦新配置下載完成並得到了驗證（配置可以加密並附帶循環冗餘校驗(CRC)），便可將器件置於安全狀態，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。

傳統器件：IGLOO2FPGA

圖2：IGLOO2FPGA非常適合執行通用功能，例如千兆位以太網或雙PCIExpress控制平面、橋接功能、I/O擴展和轉換、視頻和圖像處理、系統管理以及安全連接。（圖片來源：MicrochipTechnology）

IGLOO2FPGA提供5,000至150,000個LE（邏輯單元），具有高性能存儲子系統、高達512KB的嵌入式閃存、2x32KB的嵌入式靜態隨機存取存儲器(SRAM)、兩個直接存儲器訪問(DMA)引擎以及兩個雙倍數據速率(DDR)控制器。這些器件還有多達16個收發器通道、集成DSP處理器塊和抗/耐單粒子翻轉(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，並使用AES256和SHA256加密以及按需NVM數據完整性檢查。

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。為使設計人員能夠研究和試驗IGLOO2FPGA系列的特性，Microchip還推出了相應的IGLOO2評估套件M2GL-EVAL-KIT（圖3）。

圖3：M2GL-EVAL-KIT是用於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：MicrochipTechnology）

M2GL-EVAL-KIT有助於輕鬆開發嵌入式應用，涉及電機控制、系統管理、工業自動化和高速串行I/O應用、PCIExpress和千兆位以太網。該套件具有很高的功能集成度，並提供低功耗、高可靠性、高級安全性等特性。該板也採用小巧尺寸、兼容PCIe的結構，開發人員利用任何帶有PCIe槽的台式PC或筆記本電腦即可進行原型設計。

入門級SoC：SmartFusion2SoCFPGA

SmartFusion2SoCFPGA基於IGLOO2器件的傳統可編程結構，並增加了32位硬處理器核。由於該處理器是Arm®Cortex®系列的主打產品，因此SmartFusion2系列為進入SoCFPGA世界提供了一個很好的切入點。

這些SoCFPGA提供5,000至150,000個LE和一個166兆赫茲(MHz)ArmCortex-M3處理器，並且包括嵌入式跟蹤宏單元(ETM)和指令緩存並帶有片上eSRAM與嵌入式NVM(eNVM)；還包括完整的微控制器子系統，並且配有CAN、TSE、USB等豐富的外設。

圖4：SmartFusion2SoCFPGA提供5,000至150,000個LE和一個166MHzArmCortex-M3處理器，並且包括ETM和指令緩存並帶有片上eSRAM與eNVM；還包括完整的微控制器子系統，並且配有CAN、TSE、USB等豐富的外設。（圖片來源：MicrochipTechnology）

這些閃存SoCFPGA器件非常適合執行通用功能，例如千兆位以太網或雙PCIExpress控制平面、橋接功能、I/O擴展和轉換、視頻和圖像處理、系統管理以及安全連接。應用範圍同樣很廣，包括通信、工業、醫療、國防和航空。

SmartFusion2器件的典型例子是M2S025-FCSG325I，它有25,000個LE、256KB閃存、64KBRAM和一個166MHz32位ArmCortex-M3處理器子系統。為使設計人員能夠研究和試驗SmartFusion2SoCFPGA系列的特性，Microchip還推出了相應的SmartFusion2創客開發板M2S010-MKR-KIT（圖5）。

圖5：SmartFusion2創客開發板是用於SmartFusion2SoCFPGA的低成本評估套件，它將ArmCortex-M3處理器與基於閃存的FPGA結構結合在一個芯片上，另有許多由SoC用户慣常使用的外設，例如RAM和DSP塊。（圖片來源：MicrochipTechnology）

低成本SmartFusion2創客開發板由Digi-KeyElectronics獨家銷售，為設計人員使用SmartFusion2系列提供了便利。這一特別的設備提供了一個基於閃存的FPGA架構，具有12,000個LE、一個32位166MHzArmCortex-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創客開發板附加了以太網接口、環境光傳感器、SPI閃存、八個用户LED和兩個用户按鈕。該板還有兩個無載但已佈局好的連接，支持ESP32和ESP8266Wi-Fi/藍牙模塊（不包括在內）。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、50MHz時鐘源和Microchip的VSC8541物理層(PHY)，後者支持100Mbps或1Gbps以太網。

高性價比器件：PolarFireFPGA和SoCFPGA

PolarFireFPGA是成本經過優化且採用28nm工藝技術實現的高性能器件。這些器件提供中等密度，但功耗最低，並具有高度的安全性和可靠性。

該產品系列涵蓋100,000到500,000個LE，具有12.7Gb收發器，設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絡和蜂窩基礎設施、國防和商業航空航天市場以及工業自動化和物聯網市場中的廣泛應用。

圖6：PolarFireFPGA具有100,000到500,000個LE和12.7Gb收發器，設計功耗最多比同類中端FPGA低50%。（圖片來源：MicrochipTechnology）

PolarFireFPGA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採用NVM技術。這使得配置單元之間的漏電流非常低。另外，這也意味着這些器件在上電時也能真正地“即時啓動”，從而不會產生浪湧電流，配置電流也為零。

網絡安全是網絡邊緣互連器件的首要考慮因素，因此對於開發人員而言，僅滿足設計的功能要求是不夠的，還要確保安全。安全性始於芯片製造，並一直持續到系統部署和運行。Microchip推出的PolarFireFPGA是業界最先進的安全可編程FPGA。

許多針對複雜電子設備的應用在設計中都有一定程度的安全要求。PolarFireFPGA專為高可靠性、高可用性的安全和任務關鍵型系統而設計，適用於工業、航空、軍事、通信等應用。PolarFire之所以適合這些應用，是因為具有如下特性：

•零失效率(FIT)FPGA配置
•抗SEU存儲器
•具有單錯誤糾正、雙錯誤檢測(SECDED)功能的存儲控制器
•內置自檢
•無需外部配置器件

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。為使設計人員能夠研究和試驗PolarFireFPGA系列的特性，Microchip還推出了相應的PolarFireFPGA評估套件MPF300-EVAL-KIT（圖7）。

圖7：為使設計人員能夠研究和試驗PolarFireFPGA系列的特性，Microchip還推出了相應的MPF300-EVAL-KITFPGA評估套件。（圖片來源：MicrochipTechnology）

MPF300-EVAL-KIT可針對各類應用提供高性能評估。它非常適合用於高速收發器評估、10Gb以太網、IEEE1588、JESD204B、SyncE、CPRI以及其他應用。套件連接包括高引腳數(HPC)FPGA夾層卡(FMC)、大量SMA、PCIe、雙千兆位以太網RJ45、SFP+和USB。PolarFireFPGA具有300,000個LE、DDR4、DDR3和SPI閃存，可用於開發廣泛的高性能設計。

PolarFire產品線仍在進一步發展。在撰寫本文時，MicrochipTechnology披露了有關即將推出的PolarFireSoCFPGA系列的詳細信息。該系列將擁有經過強化且支持Linux、基於開源64位RISC-V的實時微處理器子系統。

使用MicrochipTechnology的FPGA進行設計與開發

最常用的FPGA開發技術之一是語言驅動設計(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)）上捕獲設計意圖。通過邏輯仿真進行驗證之後，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）等其他信息一併傳輸至合成引擎。合成引擎輸出配置文件，對於MicrochipFPGA或SoCFPGA，配置文件直接加載到FPGA中，而對基於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後，RTL設計描述將與FPGA類型、引腳分配和時序約束等其他設計細節一併傳輸至合成引擎。合成引擎輸出的配置文件直接加載到FPGA中。（圖片來源：MaxMaxfield）

Microchip的LiberoSoC設計套件屬於此類工具。該軟件提供了一套全面的易學易用的集成開發工具，支持使用Microchip的IGLOO2和PolarFireFPGA以及SmartFusion2和PolarFireSoCFPGA進行設計。該套件將行業標準SynopsysSynplifyPro綜合、MentorGraphics的ModelSim仿真與約束管理、編程和調試工具、安全生產編程支持集成在一起。

除了使用Verilog、VHDL或SystemVerilog以文本格式捕獲設計之外，該套件還包含圖形輸入功能，可以將系統定義為連接塊的層次結構，較低級的塊以用户定義的HDL或第三方IP表示。

另外，還有SystemBuilder，它是一種易於使用的設計工具，可引導用户解決一系列高級問題來定義目標系統。SystemBuilder首先詢問有關目標系統架構的問題，然後添加需要在可編程結構中作為軟內核實現的所有其他外設，最後創建一個“設計即正確”的完整系統。

最後但並非最不重要的一點是SoftC++onsole集成開發環境(IDE)；對於Microchip的FPGA和SoCFPGA中實例化的32位軟處理器，以及SmartFusion2和PolarFireSoCFPGA中的32位和64位硬處理器內核來説，該IDE有利於快速開發裸機和基於RTOS的C/C++軟件。

總結

最佳處理設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，或以硬處理器內核作為部分結構的FPGA提供。作為一項技術，FPGA多年來發展迅速，能夠滿足靈活性、處理速度、功耗等多方面的設計需求，非常適合智能接口、機器視覺和AI等眾多應用。

如本文所述，MicrochipTechnology的FPGA和SoCFPGA產品範圍覆蓋中低端，以具有優異可靠性的低功耗、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、軍事、航空等行業中開發硬件加速、人工智能、圖像處理、邊緣計算等應用的出色平台。

編輯：hfy