由SoC到SOPC、SoC FPGA ,异同优缺点的介绍及常见应用场景

Fighting_XH 发表于 2022/02/16 16:49:19 2022/02/16
【摘要】 介绍SoC、SOPC、SoC FPGA ,异同优缺点及常见应用场景


说一说

好喜欢看前言概述:
开始SoC FPGA的学习路程,难应该还是蛮难的吧,尤其大概看了一下后面的整体设计部分,有些晕头转向,索性整理一下自己觉得很有意思的各种前言部分。


在这里插入图片描述

一、关于SoC

概念:SoC(System On Chip)为片上系统或系统级芯片,就是在单一芯片上集成很多存储单元、功能模块等,且都由一个中央控制单元通过总线来控制它们的工作。

优势:低功耗、高性能、高集成、高带宽。

二、关于SOPC

1.概念

片上可编程系统(System On a Programmable Chip),将处理器、存储单元及各种功能模块等集成到一片FPGA中,且采用FPGA的通用逻辑资源和存储单元来搭建软核CPU。

简言之,SOPC就是软核处理器+FPGA,并用Avalon总线来通信。

2.优缺点

优点:由于处理器是由FPGA的通用逻辑资源搭建,因此此CPU可裁剪可定制,还可添加多个CPU,搭建多核系统,实现多核CPU协调工作;可灵活为CPU增添外设(UART,SPI,IIC 等);

缺点:由于处理器是由FPGA的通用逻辑资源搭建,因此占用更多资源,另外其运行的最高时钟主频也更低一些(最高160/170MHz),所以SOPC方案仅适用于对处理器整体性能要求不高的应用,通用性不强。

三、关于SoC FPGA(Intel Cyclone V SoC FPGA)

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1.概念

SOC FPGA高集成度芯片是在同一个芯片上集成FPGA和HPS(Hardware Processor System)系统。
Intel Cyclone V SoC FPGA :就是在单一芯片上集成了双核的 ARM Cortex-A9 处理器和FPGA的新型 SoC 芯片,主频可达到925MHz,同时拥有ARM和FPGA的优势。简言之,SoC FPGA是硬核处理器+FPGA,用高达 128 位数据位宽的 AXI 高速总线进行通信。

2.优势

  • 既拥有ARM 硬核处理器实现灵活控制、图形界面显示和网络传输、能运行成熟的 Linux 操作系统的优势,又拥有 FPGA 的高速并行处理和可灵活定制、IO单元丰富的优势;
  • FPGA和ARM之间采用片上高速互联结构,总线可配置(128位/64位/32位),另外使用时可以将 FPGA 上的通用逻辑资源经过配置,映射为 ARM 处理器的一个或多个具有特定功能的外设;
  • SoC FPGA的HPS 部分可运行成熟的 Linux 操作系统,提供统一的系统 API,降低开发者的软件开发难度。工作的时钟频率高,因此可单位时间内能够执行更多的指令。

3.常见应用场景

视频监控(高清视频分析)、高级辅助驾驶(视频处理分析、通信)、国防航空航天(夜视、保密通信)、广播(视觉、专业音频、PCIe采集)


四、SoC FPGA 和 独立的FPGA系统 对比

FPGA实现的是硬件逻辑功能,有着高速并行处理数据、丰富IO单元和功能复用的优势,但是也因为逻辑电路的功能固定,所以当需要用到灵活的控制和复杂的协议通信的时候,FPGA不占优势,而SoC FPGA则将FPGA和ARM的优势集合在了一起。

五、SoC FPGA  传统的处理器 + FPGA架构 对比

传统处理器(英特尔X86架构CPU、Cortex-M系统单片机等)+FPGA架构中因为使用了独立的器件,所以电路板的设计相对复杂,另外在用单片机与FPGA通信的时候,速率也因为硬件电路板或者高位宽并行总线间的竞争冒险情况等而受到限制。而SoC FPGA采用片上集成的方式,且ARM和FPGA之间的高速互联桥也能打破带宽和通信速率的限制,另外处理器、外设存储单元可定制,因此也突破了硬件上的限制。

六、SoC FPGA 和 SOPC 对比

同:SoC FPGA 和 SOPC 都是由FPGA和处理器组成。

异:SoC FPGA 采用的是硬核处理器(ARM,性能更高),SOPC 采用的是软核处理器(NIOS II)。其中SoC FPGA中的ARM和FPGA是相互独立的,供电电源相互独立,因此一方断电,另一方仍可以正常工作,但是如果设计中不用ARM部分,那么ARM部分占用的芯片资源也是不能被释放的,因此就可以作为通用的FPGA资源。而SOPC的处理器由FPGA通用资源搭建,所以当不用CPU的时候,资源可释放,全部的资源均可当作FPGA资源来使用。

七、SoC FPGA 的总结

SoC FPGA 器件发挥了FPGA的可编程优势,设计独有的硬件加速和协处理器逻辑,进而与与ARM处理器协同工作,突破硬件功能的限制,实现定制化的片上系统,因此ARM+FPGA 集成架构的芯片有更大的市场和应用前景。

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