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Ein ausgewachsener Mikrocontroller mit viel Peripherie und umfangreichen FPGA-Funktionen: Altera nennt die Kombination schlicht SoC-FPGA.

Ein ausgewachsener Mikrocontroller mit viel Peripherie und umfangreichen FPGA-Funktionen: Altera nennt die Kombination schlicht SoC-FPGA.Altera

Es ist das jüngste Kind der Embedded-Strategie des FPGA-Spezialisten Altera: Bekannt sind FPGAs mit Soft-Cores – bei Altera bevorzugt Nios II – oder einem kleinen Rechenkern in Hardware. Von Intel gibt es bereits eine Atom-Variante, deren Package zusätzlich einen FPGA erhält. Mit den ARM-basierten SoC-FPGAs geht Altera aber einen Schritt weiter: Diese Chips kombinieren eine Schaltfabrik der 28-nm-FPGAs Cyclone V oder Arria V mit einem Dual-Core ARM Cortex-A9-MPcore-Prozessor. „Den Prozessor haben wir für den Sweet Spot konfiguriert. Er enthält alle Elemente, die man von einem reinen Mikrocontroller auch erwarten würde, und leistet dabei 2,5 DMIPS pro MHz“, freut sich Chris Balough, Senior Director Marketing im Bereich Software, Embedded und DSP bei Altera in San Jose, USA.

Außerdem integrieren die Kalifornier in der Single-Chip-Lösung noch Speicher-Controller mit ECC (Error Correcting Code), Peripheriefunktionen und Bandbreite-starke Verbindungen. Die Speicher-Controller hat Altera neu entwickelt: „Sie sind optimiert für hohen Durchsatz und niedrige Latenz und dabei Multi-Port-fähig. Diese Kombination haben wir bei keiner lizensierbaren Memory-Controller-IP gefunden“, ergänzt Chris Balough.

Chris Balough ist Senior Director Marketing für Software, Embedded und DSP bei Altera in San Jose, USA

Chris Balough ist Senior Director Marketing für Software, Embedded und DSP bei Altera in San Jose, USAAltera

Das Ziel der SoC-FPGAs lautet: Satte Rechenleistung auf einer Standard-Architektur mit der Flexibilität eines FPGA kombinieren, das zum Beispiel rechenintensive Funktionen in Hardware beschleunigt. Für den Entwickler sieht das System wahlweise aus wie ein Mikrocontroller mit FPGA-Zusätzen, oder ein FPGA mit einem gehärteten Rechenkern – das System bootet wahlweise als MCU, als FPGA oder parallel beide Funktionsblöcke.

Vorhandene Tools und Software weiter verwenden

Die SoC-FPGAs profitieren vom umfassenden ARM-Ökosystem mit Software-Tools, Debuggern, Betriebssystemen, Middleware und Applikationen. Darüber hinaus können Anwender den SoC-FPGA-Designflow von Altera nutzen. Wenn sie mit der Single-Chip-Lösung bisherige Multi-Chip-Designs mit getrennter MCU und FPGA ablösen, dann entstehen in der Regel Embedded-Systeme mit deutlich reduzierter Boardfläche, geringerer Leistungsaufnahme und niedrigeren Kosten. Gleichzeitig erhöht sich die Performance für Anwendungen in der Industrie, Automobilelektronik, Video-Überwachung, drahtlosen Kommunikationsinfrastruktur und Computer- sowie Speichertechnik.

„SoC-FPGAs stellen eine wichtige neue Entwicklung für Embedded-Systeme dar“, betont Mike Inglis, Executive Vice President und General Manager der Prozessor-Division von ARM. „Die neuen Bausteine bieten vielversprechende Lösungen für Embedded-Systementwickler, um die Time-to-Market zu reduzieren, die Kosten und die Verlustleistung zu verringern, während man gleichzeitg die ARM-Entwicklungsumgebung nutzen kann.“

Leistungsfähiger Mikrocontroller

Die Cyclone-V- und Arria-V-SoC-FPGAs verfügen über einen Dual-Core-Cortex-A9-MPCore mit 800 MHz, eine Neon Media-Processing-Engine, eine Gleitkommaeinheit mit einfacher oder doppelter Genauigkeit, L1- und L2-Caches, ECC-geschützte Speichercontroller und Speicher sowie umfangreiche Peripherie. Das Prozessorsystem kann bis zu 4000 DMIPS bei weniger als 1,8 Watt liefern. Prozessorsystem und FPGA-Schaltfabrik werden unabhängig voneinander versorgt und können in beliebiger Reihenfolge konfiguriert und gebootet werden. Einmal im Betrieb, kann der FPGA-Anteil bei Bedarf ausgeschaltet werden, um Systemverlustleistung zu sparen.

Prozessorsystem und FPGA sind über viele parallele Datenpfade mit hohem Durchsatz verbunden, die bis zu 125 GBit/s Bandbreite mit integrierter Daten-Kohärenz bieten. Eine Zwei-Chip-Lösung kann diese Performance nicht erreichen. Da externe I/O-Pfade für die Verbindung zwischen Prozessor und FPGA entfallen, ist auch die Systemverlustleistung geringer.

SoC-FPGAs in 28 nm

Die Cyclone-V- und Arria-V-SoC-FPGAs basieren auf einem stromsparenden 28-nm-Prozess (28LP) von TSMC. Die Familien beinhalten Embedded-Transceiver mit 5 oder 10 GBit/s. Die FPGA-Schaltfabrik enthält auch DSP-Blöcke mit variabler Genauigkeit sowie zwei hardwaremäßige ECC-Speichercontroller. Die Cyclone-V-SoC-FPGAs bieten bis zu 110K Logikelemente (LEs) bei geringen Systemkosten, niedriger Leistungsaufnahme und ausreichend Performance für viele hochvolumige Anwendungen, etwa neue Industrieantriebe, leistungsfähige Fahrerassistenzsysteme oder Video-Überwachung. Die leistungsfähigeren Arria-V-SoC-FPGAs bieten bis zu 460K LE und sind ideal für Anwendungen wie kabellose Kopfhörer, LTE-Basisstationen oder Multifunktionsdrucker.

Entwicklungsumgebung für die SoC-FPGAs

Für die SoC-FPGAs können Hard- und Software-Entwickler ihre gängigen Tools und Designflows sowohl für den Cortex-A9-MPCore, als auch das FPGA nutzen. Mit Alteras Quartus II können sie kundenspezifische Peripherals und Hardwarebeschleuniger generieren und sie mit Hilfe von Qsys zusammen mit dem Prozessorsystem integrieren. Qsys beschleunigt das Hardware-Design, indem es automatisch die erforderliche Verbindungslogik generiert, um IP-Blöcke oder Subsysteme miteinander zu verbinden. Qsys erzeugt auch ein FPGA-optimiertes NoC (Network-on-Chip) für höhere Performance, vereinfachte Wiederverwendung von Designteilen und schnelle Verifizierung. Es unterstützt Standard-Interfaces wie Avalon Memory-Mapped, Avalon Streaming und Amba AXI von ARM. Damit können Entwickler IP-Cores mit mehreren Interfaces in einem Design nutzen und auch wiederverwenden.

Da SoC-FPGAs auf einem standardmäßigen ARM Cortex-A9-MPCore basieren, sind sie kompatibel mit bestehender ARM-Software. Die Software-Entwicklung kann sofort mit dem SoC FPGA Virtual Target beginnen: Auf einer bewährten Lösung von Synopsys für das virtuelle Prototyping basierend, stellt Virtual Target eine funktionelle Simulation des SoC-FPGA-Entwicklungsboards dar. Virtual Target läuft auf einem PC und bietet eine binär- und Register-kompatible Entsprechung des Boards, daher kann der Entwickler die auf dem Virtual Target entwickelte Software einfach auf das tatsächliche Board einfach transferieren. Virtual Target ist Linux- und VxWorks-fähig und wird von der ARM-Designumgebung unterstützt. Software-Entwickler können daher bei ihren bewährten Tools bleiben.

Preise und Verfügbarkeit

Erstes Silizium ist für die zweite Jahreshälfte 2012 angekündigt und soll durch Referenzdesigns und Entwicklungsboards unterstützt werden. Für hochvolumige Stückzahlen sollen die Preise für ein SoC-FPGA bei weniger als 15 US-Dollar beginnen.

(lei)

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