Tại sao phải thực hiện vi điều khiển trong FPGA?

Tôi hiện đang "điều tra" các GPU, những gì chúng có thể làm, cách chúng làm, v.v.

Ở nhiều nơi ( ví dụ ở đây ) tôi đã thấy các dự án triển khai một bộ vi điều khiển đơn giản với FPGA.

Vì vậy, câu hỏi của tôi:
Tôi muốn biết, mục đích của việc thực hiện như vậy là gì? Tại sao nên sử dụng một vi điều khiển được triển khai trong FPGA thay vì có một vi mạch trên tàu? Lợi ích là gì? Và có lẽ cũng có nhược điểm gì?

Những lợi ích:

• giao diện cực nhanh giữa vi điều khiển và bất kỳ giao diện tùy chỉnh hoặc logic I / O trên chip.
• giao diện xử lý và gỡ lỗi tùy biến
• Ngoài ra, logic điều khiển thường dễ dàng hơn so với viết mã điều khiển với, giả sử, VHDL

Nhược điểm:

• Có thể cần nhiều đồ họa đắt tiền hơn để phù hợp với cả vi điều khiển và logic tùy chỉnh, so với việc chỉ có logic tùy chỉnh trên đồ họa
• Có thể khó thực hiện hơn, đặc biệt là với các bộ nhớ và nếu lõi phức tạp, hơn một bộ vi điều khiển đã sẵn sàng trên một chip riêng.

Nếu dự án của bạn sẽ sử dụng một FPGA cho các công việc khó khăn, và nó có công suất dự phòng, tại sao sẽ bạn đi đến các chi phí của những Chip thêm vào khi bạn có thể chỉ thực hiện nó trong FPGA?

Đối với nhiều môi trường kiểm soát thủ tục, có thể dễ dàng thực hiện cài đặt được yêu cầu bằng ngôn ngữ như C hơn là cố gắng thực hiện trong VHDL hoặc Verilog. Bằng cách thêm bộ vi điều khiển vào FPGA, bạn sẽ có được cả hai thế giới tốt nhất - sức mạnh của VHDL / Verilog, v.v. cho logic và các hệ thống giao thoa, và sự đơn giản của ngôn ngữ thủ tục cho các hệ thống quản lý và điều khiển cốt lõi.

Để mở rộng câu trả lời của Majenko và PkP:

Xu hướng nhúng CPU vào thiết kế FPGA đã dẫn đến một số hệ thống không đồng nhất như:

• Gia đình Xilinx 'Zynq-7000
• Altera's Arria / Cyclon / Stratix SoC
• Các SmartFusion của MicroSemi

Ngoài ra còn có chip Intel Atom + Altera trên thị trường: http://www.altera.com/devices/ Processor / intel / e6xx / pro-e6x5c.html

Hầu hết các bộ điều khiển vi mô miễn phí cho FPGA đều gặp phải sự hỗ trợ của chuỗi công cụ xấu. CPU ARM nhúng đi kèm với hỗ trợ theo dõi / gỡ lỗi, trình biên dịch (chuỗi công cụ gcc) và hỗ trợ linux đầy đủ. Dưới đây là một khảo sát được trình bày tại FPL 2014: http://dx.doi.org/10.1109/FPL.20146927482

Chỉnh sửa 1:
Ngoài ra còn có lớp thiết bị PSoC (Hệ thống lập trình trên Chip) từ Cypress. Các thiết bị này bao gồm bộ điều khiển vi mô (M8C, 8051, ARM Cortex M0 hoặc Cortex M3) và các thiết bị hoặc bộ điều khiển I / O tích hợp SoC cổ điển (I²C, SPI, Timer, CAN, DAC, ADC, OpAmp, ...) và có thể lập trình phần. Phần này không phải là hạt tốt có thể lập trình như các GPU cổ điển, nhưng nó có thể được sử dụng để thực hiện các bộ điều khiển I / O bổ sung hoặc bộ tăng tốc phần cứng được xây dựng. PSoC cho phép bạn sử dụng các thành phần tương tự trong thiết kế của bạn.
http://www.cypress.com/psoc/?source=CY-ENG-HEADER

Tổng quan về PSoC:

Nếu bạn chỉ cần một bộ vi điều khiển và không có một bộ vi xử lý, thì việc sử dụng một bộ vi điều khiển với phần sụn vi điều khiển là điều bất thường. Tuy nhiên, không phải tất cả các dự án phát triển theo hướng đó. Nhiều tác vụ có nhu cầu rõ ràng về một đồ họa, nhưng cuối cùng lại bắt gặp một tác vụ thực sự không phù hợp với giải pháp VHDL. Đôi khi một vấn đề chỉ đơn giản là được xử lý tốt nhất bởi CPU có mục đích chung. Hoặc, đôi khi nó là cách khác: một số tác vụ đơn giản là không phù hợp với CPU có mục đích chung - chúng cần song song.

Lúc đó, bạn có một sự lựa chọn. Bạn có thể thêm một chip bổ sung vào thiết bị của mình hoặc bạn có thể nhận ra rằng bạn có một loạt các cổng dự phòng trên FPGA mà bạn không sử dụng. Cấp phép một chút IP và bạn có thể có CPU mục đích chung hoạt động nhanh chóng!

Một chi tiết thú vị khác là bạn có thể tùy chỉnh một số phần mềm vi điều khiển. Tôi biết các dự án nhúng Power PC, nhưng đã loại bỏ tất cả các cổng cần thiết cho hỗ trợ điểm nổi và một phần tốt của dự đoán chi nhánh. Điều này làm cho nó đủ nhỏ để phù hợp với phần sụn dựa trên VHDL.

Có một số lý do hợp lệ để khởi tạo một bộ vi xử lý hoặc vi điều khiển trong một đồ họa. Đây là ba:

1. Bạn chỉ muốn tìm hiểu về hoạt động của một bộ xử lý. Các GPU cung cấp cho bạn các cách vô hạn để thăm dò những gì xảy ra bên trong bộ xử lý khi nó thực thi mã. Đây chỉ là để học tập.

2. Bạn đang triển khai một hệ thống lớn đòi hỏi tốc độ cấp phần cứng của một GPU (nhanh hơn so với phần mềm thực thi trên bộ vi xử lý) nhưng thiết kế của bạn yêu cầu một máy trạng thái phức tạp, dễ thực hiện hơn bằng phần mềm chạy trên bộ xử lý đơn giản như Xilinx PicoBlaze hơn trong một FSM phần cứng. Lưu ý rằng PicoBlaze có thể chạy nhanh tới 240 MHz trong các công nghệ xử lý đồ họa mới nhất và bộ xử lý PicoBlaze thực hiện một lệnh mỗi hai chu kỳ xung nhịp, do đó bạn có được một máy trạng thái nhanh, nhất quán, dễ dàng lập trình trong phần mềm.

3. Mở rộng trên (2), bạn cần một máy trạng thái có thể xử lý các ngắt. Bộ xử lý thực sự tốt cho việc này vì họ đã biết cách lưu và khôi phục trạng thái một cách an toàn trước và sau khi phục vụ ngắt.

Đây là một cảnh báo: Nếu bạn muốn có bộ xử lý nhanh với bộ hướng dẫn tiêu chuẩn và hệ sinh thái phát triển lớn, thì bạn muốn có bộ xử lý nhanh, lõi cứng như hai ARM Cortex-A9 trong Xilinx Zynq SoC. Cấu trúc đồ họa trong Zynq SoC vẫn cho phép bạn khởi tạo nhiều lõi xử lý hơn theo logic lập trình nhưng ARM Cortex-A9 có thể chạy các hệ điều hành tiêu chuẩn như Linux và IDE tiêu chuẩn như Android.

Ở giữa ARM Cortex-A9 và PicoBlaze, có nhiều bộ xử lý mềm bạn có thể thực hiện với logic lập trình có sẵn từ nhiều nguồn. Một số người thích cuộn các bộ xử lý của riêng họ và đó là một hoạt động giáo dục tuyệt vời. Tuy nhiên, bộ vi xử lý cần các công cụ phát triển phần mềm và việc tạo / gỡ lỗi các công cụ đó đòi hỏi nhiều công sức hơn là tạo ra bộ xử lý. Bạn phải luôn đánh đổi lợi ích có thể có của bộ vi xử lý tùy chỉnh theo thời gian và công sức cần thiết để tạo / gỡ lỗi lõi bộ xử lý và các công cụ.

Tiết lộ đầy đủ: Tôi làm việc cho Xilinx nhưng tôi khá chắc chắn rằng tôi đã không nói rằng các GPU luôn là giải pháp. Nếu một vi điều khiển 50 cent có thể thực hiện công việc, bạn nên sử dụng nó. Các FPGA và Zynq SoC dành cho các dự án đòi hỏi nâng hạng nặng vượt quá khả năng của vi điều khiển.

Đôi khi bạn có thể sử dụng một FPGA vì bạn có phần mềm chạy trên bộ xử lý vật lý lỗi thời và không có sẵn mà bạn muốn phục hồi. Trong khi không tương thích với pin (mặc dù đã nhìn thấy các kiểu gắn kết kiểu DIP), điều này cho phép bạn có chu kỳ chính xác. Một mô phỏng phần mềm thuần túy trên một bộ vi xử lý hàng hóa dường như không phải là như vậy. Ví dụ: apple2fpga