В статье рассмотрен вопрос применения матриц FPGA, не обладающих лучшими в своем классе характеристиками. В отличие от ультрасовременных матриц, которые предназначены для применения в критичных к быстродействию системах, данные устройства наилучшим образом подходят для недорогих устройств и формируют нишевый рынок. Во второй части статьи рассмотрены особенности, которыми должны обладать средства проектирования систем с FPGA среднего класса.
С самого своего появления в середине 80-х гг. прошлого века матрицы FPGA нашли широкое применение в электронных устройствах. Они занимают промежуточное положение между заказными и специализированными ИС, готовыми процессорами и логическими элементами. По сравнению с другими полупроводниковыми устройствами они являются наиболее перспективными.
По мере развития технологий производители размещают все больше вентилей на меньшей физической площади, повышая тем самым логическую емкость и снижая стоимость матрицы. Однако, как это часто бывает, в разнообразии FPGA есть место так называемой нише Long Tail, которую занимают «непередовые» устройства со сравнительно посредственными характеристиками (см. рис. 1). Рынок Long Tail формируется большим количеством нишевых игроков, а не несколькими производителями. В отличие от компаний-лидеров, они работают не с крупными клиентами, а с большим количеством мелких, которые в целом обеспечивают прибыльную бизнес-модель.
В отличие от систем с жесткой структурой, таких как микроконтроллеры (МК), заказные или специализированные ИС, FPGA можно конфигурировать в соответствии с требованиями приложения. Матрицы могут быть запрограммированы так, чтобы они выполняли функции МК, специализированной или заказной ИС.
Конечно, за это приходится платить: подобные устройства дороже, потребляют больше мощности, имеют более низкие тактовые частоты и почти не имеют возможностей работы с аналоговыми сигналами. Однако в процессе развития технологий FPGA эта ситуация меняется.
Большинство производителей FPGA активно занимается продвижением, в первую очередь, самых передовых продуктов. Действительно, современные матрицы обладают замечательными характеристиками: технология 28 нм, большое количество слоев металлизации, а также огромное количество эквивалентных логических элементов, по которому она превзойдет любую заказную ИС. Передовые FPGA применяются в основном в тех областях, где требования к устройствам настолько высоки, что программная реализация затруднительна, однако в то же время объем производства недостаточно велик, чтобы оправдать затраты на заказные ИС. К таким областям относятся сетевое оборудование, системы обработки сигналов, военные и аэрокосмические приложения.
Во всем многообразии электронных устройств нашлось место и для более скромных по характеристикам семействам FPGA, которые имеют одно немаловажное достоинство — низкую стоимость. Они применяются в массовых устройствах, для которых цена является первостепенным фактором, а требования к быстродействию не очень высоки.
Нельзя сказать, что эти «нишевые» матрицы нефункциональны. Напротив, их возможностей более чем достаточно для управления 32-разрядным процессорным ядром с тактовой частотой 50…100 МГц или для управления несколькими периферийными программами, такими как драйвер дисплея, UART, контроллер Ethernet или контроллер IDE.
На первый взгляд, может показаться, что этого мало по сравнению с возможностями передовых встраиваемых МК. Однако ценность FPGA заключается в простоте добавления разнообразных устройств, которые необходимы для реализации проекта. Готовые микроконтроллерные модули имеют фиксированное число портов. Хорошо, если требуемое количество периферийных устройств не превышает количество свободных портов. Однако в противном случае придется либо менять МК, либо применять программные ухищрения, чтобы обеспечить совместную работу всех устройств.
Еще одно достоинство матриц — возможность многократного конфигурирования, благодаря которой одну и ту же матрицу можно использовать в нескольких различных проектах. При увеличении масштабов производства это позволяет уменьшить затраты.
Принципы проектирования устройств на основе FPGA среднего класса отличаются от принципов проектирования передовых устройств. На нишевом рынке производители получают прибыль от продажи продуктов со скромными характеристиками, а не от объема продаж. Применительно к рынку электронных устройств это означает, что время и капиталовложения, требуемые на разработку каждого нового продукта, должны быть минимальными.
Исторически FPGA рассматриваются как альтернатива слишком дорогим заказным ИС. Соответственно, инструменты для работы с FPGA разработаны на основе средств проектирования заказных ИС. При этом процесс конфигурирования FPGA является малозатратным, поскольку он основан на использовании встроенных HDL-объектов и требует только внимательного управления синтезом, моделированием и верификацией проекта.
 |
Рис. 1. Структура рынка FPGA |
Время перемен
Для рационального использования FPGA в нишевых продуктах только низкой стоимости самой матрицы недостаточно. Процесс проектирования тоже должен быть приемлемым по цене. От перехода на FPGA выиграют и разработчики платы, стремящиеся повысить интеграцию, и разработчики программного кода, которые могут реализовать часть функций аппаратно и за счет этого повысить быстродействие. Однако поскольку эти специалисты не имеют дело с языками HDL, то для работы с FPGA требуются средства проектирования с более высоким уровнем абстракции. В этом случае возможности матриц будут задействованы в полную силу, а переквалификации инженеров не потребуется.
Прежде чем мы перейдем к рассмотрению характеристик FPGA и возможностей по оптимизации, которые предоставляет проектирование на высоком уровне, заметим, что оптимизация имеет смысл только для устройств с ограниченными ресурсами. Соответственно, если функционал FPGA-устройств будет продолжать расширяться, а стоимость ресурсов — снижаться, то потребность в оптимизации быстро исчезнет, и выгода от перехода на матрицы будет выражаться только в скорости разработки и простоте технического содержания и обслуживания.
Основные особенности инструментов для разработки систем на основе FPGA среднего класса
1. Повышение уровня абстракции за счет использования IP-блоков высокого уровня.
2. Отсутствие необходимости использовать языки HDL.
3. Синхронизация с разработкой печатной платы и программного кода.
4. Наличие драйверов устройств и программных сервисов для IP-блоков высокого уровня.
5. Аппаратная поддержка языка С.
6. Платформа быстрого прототипирования для испытания в реальных условиях.
Рассмотрим основные требования к средствам проектирования FPGA. Во-первых, поддержка языков описания аппаратного обеспечения (HDL) не является обязательной. Во-вторых, процесс проектирования должен быть построен по аналогии с разработкой платы. Как и при проектировании систем с высокой степенью интеграции на готовых элементах, средства проектирования FPGA должны обеспечивать быстрое и легкое добавление больших IP-блоков, таких как модули UART, видеодрайвер, интерфейсы TCP/IP или USB.
Существующие проекты печатных плат должны быть организованы так, чтобы изменения в плате, например переназначение выводов для упрощения трассировки, автоматически переходили бы на FPGA.
Для удобства написания программного кода полезна функция автоматического связывания IP-блоков, чтобы легко соединять периферийные устройства, процессоры и блоки памяти для создания платформы быстрого прототипирования. Для работы с периферийными устройствами и IP-блоками желательна поддержка языков низкого уровня, соответствующих драйверов и служебных функций.
Если проектируемая система построена правильно, то найдется способ реализовать критические приложения аппаратно, чтобы обеспечить требуемое быстродействие. Однако поскольку разработчики программного кода не занимаются аппаратными языками, то процедура перевода кода С в языки HDL должна выполняться средствами проектирования.
Наконец, для запуска и тестирования проектируемой системы в реальных условиях в комплекте со средствами разработки должна поставляться отладочная плата, содержащая необходимый набор периферийных устройств, разъемов и интерфейсов и поддерживающая все IP-блоки из библиотеки средств проектирования.
Литература
1. Hauff М. The *Long Tail* of FPGAs//www.eetimes.com.