Neden FPGA'da mikrodenetleyici kullanılır?

Şu anda FPGA'ları, neler yapabileceklerini, nasıl yaptıklarını "araştırıyorum".

Birden fazla yerde ( örneğin burada ) FPGA ile basit bir mikrodenetleyici uygulayan projeler gördüm.

Yani sorum:
Bilmek istiyorum, bu tür uygulamaları yapmanın amacı nedir? Uçakta mikro bulundurmak yerine neden FPGA'da uygulanan bir mikro denetleyici kullanmalıyım? Avantajları nelerdir? Ve belki de olumsuz yanları nelerdir?

Yararları:

• mikrodenetleyici ve herhangi bir özel arayüz veya çip üzerinde I / O mantığı arasında inanılmaz derecede hızlı arayüz.
• özelleştirilebilir işlemci ve hata ayıklama arabirimleri
• ayrıca, örneğin VHDL ile kontrol kodunu yazmaktan daha kolay kontrol mantığı

Downsides:

• Hem mikro denetleyiciye hem de özel mantığa uyması için muhtemelen daha pahalı FPGA gereklidir, sadece FPGA üzerinde özel mantığa sahip olmak
• Özellikle anılarla ve çekirdek karmaşıksa, ayrı bir çip üzerinde hazır bir mikrodenetleyiciden daha kolay uygulanması daha zordur.

Projeniz homurtu iş için bir FPGA kullanacak ve yedek kapasiteye sahipse, neden olurdu fazladan bir çip pahasına giderken sadece FPGA bunu uygulayabilirsiniz?

Birçok prosedürel kontrol ortamı için gerekli kurulumu C gibi bir dilde uygulamak, VHDL veya Verilog'da yapmaya çalışmaktan çok daha kolay olabilir. Mikrodenetleyiciyi FPGA'ya ekleyerek, mantık ve arabirim sistemleri için VHDL / Verilog'un gücü ve çekirdek kontrol ve yönetim sistemleri için prosedürel bir dilin basitliği gibi her iki dünyanın da en iyisini elde edersiniz.

Majenko ve PkP'nin cevaplarına ek olarak:

Bir CPU'yu FPGA tasarımına gömme eğilimi, aşağıdakiler gibi çeşitli heterojen sistemlere yol açmıştır:

• Xilinx 'Zynq-7000 ailesi
• Altera Arria / Siklon / Stratix SoC FPGA'ları
• MicroSemi'nin SmartFusion FPGA'ları

Piyasada ayrıca bir Intel Atom + Altera FPGA yongası var: http://www.altera.com/devices/processor/intel/e6xx/proc-e6x5c.html

FPGA için çoğu ücretsiz mikro denetleyici, kötü bir takım zinciri desteğinden muzdariptir. Gömülü ARM CPU'lar izleme / hata ayıklama desteği, derleyiciler (gcc takım zinciri) ve tam linux desteği ile birlikte gelir. İşte FPL 2014'te sunulan bir anket: http://dx.doi.org/10.1109/FPL.2014.6927482

Düzenleme 1:
Cypress'ten PSoC (Chip üzerinde Programlanabilir Sistem) cihazları sınıfı da var. Bu cihazlar arasında bir mikro denetleyici (M8C, 8051, ARM Cortex M0 veya Cortex M3) ve klasik SoC entegre I / O denetleyicileri veya cihazları (I²C, SPI, Zamanlayıcı, CAN, DAC, ADC, OpAmp, ...) ve programlanabilir Bölüm. Bu bölüm, klasik FPGA'lar kadar programlanabilir ince taneli değildir, ancak ilave G / Ç denetleyicileri veya yerleşik donanım hızlandırıcıları uygulamak için kullanılabilir. PSoC, tasarımınızda analog bileşenler kullanmanıza olanak tanır.
http://www.cypress.com/psoc/?source=CY-ENG-HEADER

PSoC'ye genel bakış:

Sadece bir mikro denetleyiciye ihtiyacınız varsa ve bir FPGA'nız yoksa, mikro denetleyici ürün yazılımı ile bir FPGA kullanmak olağandışı olurdu. Ancak, tüm projeler bu yönde büyümez. Birçok görevin açıkça bir FPGA'ya ihtiyacı vardır, ancak sonunda bir VHDL çözümü için gerçekten uygun olmayan bir göreve rastlar. Bazen bir sorun en iyi şekilde genel amaçlı bir CPU tarafından halledilir. Veya bazen başka bir yol budur: bazı görevler genel amaçlı bir CPU için uygun değildir - paralelliğe ihtiyaçları vardır.

O zaman, bir seçeneğin var. Cihazınıza ek bir yonga ekleyebilir veya kullanmadığınız FPGA'da bir sürü yedek kapınızın olduğunu fark edebilirsiniz. Biraz IP lisansı alın ve kısa sürede çalışan bir genel amaçlı CPU'nuz olabilir!

Bir başka ilginç detay, bazı mikrodenetleyici yazılımlarını özelleştirebilmenizdir. Bir Power PC'yi gömen, ancak kayan nokta desteği için gerekli tüm kapıları ve şube tahmininin iyi bir kısmını çıkaran projeleri biliyorum. Bu, VHDL tabanlı ürün yazılımı ile yan yana sığacak kadar küçük hale getirdi.

Bir FPGA'da mikroişlemci veya mikrodenetleyici oluşturmanın birkaç geçerli nedeni vardır. İşte üç:

1. Sadece bir işlemcinin çalışması hakkında bilgi edinmek istiyorsunuz. FPGA'lar, kod yürütürken işlemcinin içinde olup bitenleri araştırmak için size sonsuz yollar sunar. Bu sadece öğrenmek içindir.

2. Bir FPGA'nın donanım düzeyinde hızlarını gerektiren büyük bir sistem uyguluyorsunuz (bir mikroişlemcide çalışan yazılımdan daha hızlı), ancak tasarımınız Xilinx PicoBlaze gibi basit bir işlemcide çalışan yazılım kullanılarak daha kolay uygulanabilen karmaşık bir durum makinesi gerektiriyor bir donanım FSM'sinden daha. Bir PicoBlaze'nin en son FPGA işlem teknolojilerinde 240MHz kadar hızlı çalışabileceğini ve PicoBlaze işlemcinin her iki saatte bir bir komut yürüttüğünü ve böylece yazılımda kolayca programlanan hızlı, tutarlı bir durum makinesi elde edeceğinizi unutmayın.

3. (2) 'ye genişleyerek, kesintileri kaldırabilecek bir durum makinesine ihtiyacınız vardır. İşlemciler bunun için gerçekten çok iyi çünkü kesintiye hizmet vermeden önce ve sonra durumu nasıl güvenli bir şekilde kaydedip geri yükleyeceklerini zaten biliyorlar.

İşte bir uyarı: Standart bir talimat seti ve büyük bir geliştirme ekosistemine sahip hızlı bir işlemci istiyorsanız, bir Xilinx Zynq SoC'de iki ARM Cortex-A9 gibi hızlı, sert çekirdekli bir işlemci istiyorsunuz. Zynq SoC'deki FPGA yapısı, programlanabilir mantıkta daha fazla işlemci çekirdeği oluşturmanıza izin verir, ancak ARM Cortex-A9'lar Linux gibi standart işletim sistemlerini ve Android gibi standart IDE'leri çalıştırabilir.

ARM Cortex-A9 ve PicoBlaze arasında, birçok kaynaktan kullanılabilen programlanabilir mantıkla uygulayabileceğiniz birçok yumuşak işlemci vardır. Bazı insanlar kendi işlemcilerini yuvarlamayı severler ve bu harika bir eğitim faaliyetidir. Ancak, mikroişlemciler yazılım geliştirme araçlarına ihtiyaç duyarlar ve bu araçların oluşturulması / hatalarının ayıklanması işlemcinin kendisini oluşturmaktan çok daha fazla çaba gerektirir. İşlemci çekirdeğini ve araçlarını oluşturmak / hatalarını ayıklamak için gereken zaman ve çabaya karşı her zaman özel bir mikroişlemcinin olası avantajlarından yararlanmalısınız.

Tam açıklama: Xilinx için çalışıyorum ama FPGA'ların her zaman çözüm olduğunu belirtmediğimden eminim. 50 centlik bir mikrodenetleyici işi yapabilirse, bunu kullanmanız daha iyi olur. FPGA'lar ve Zynq SoC'ler, mikro denetleyicilerin yeteneklerinin ötesinde ağır kaldırma gerektiren projeler içindir.

Bazen bir FPGA kullanabilirsiniz, çünkü diriltmek istediğiniz uzun ve kullanılmayan bir fiziksel işlemcide çalışan bir yazılımınız vardır. Pim uyumlu olmasa da (DIP tarzı bağlantılar görülmesine rağmen) bu, döngüde doğru olmanızı sağlar. Bir meta mikroişlemcide saf bir yazılım öykünmesinin böyle olması muhtemel değildir. Örneğin apple2fpga