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隨著FPGA器件和工具在十年間日趨成熟，能夠將大量嵌入式處理器(DSP、微控制器和微處理器)融入主流可編程邏輯架構內，越來越多的嵌入式系統設計人員已經將他們的技能組合拓展到中間件和軟件開發工作之外，而且能夠熟練地使用硬件設計語言?？鐚W科技能使得這部分為數不算多的設計人員能夠使用FPGA 來創建高度優化、差異化架構，這些架構具有適當的軟硬件配比，能夠達到出色的系統性能、功能與功耗水平。??

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處理器優先

賽靈思準備采借助其可擴展式處理器平臺推出一款全新的器件。該器件的主要構建塊是一個運行在800MHz的32位ARM Cortex-A9處理子系統(如圖所示)。該處理子系統“開箱即用”，具有可啟動和可編程特性。該新型器件的其余部分由緊密連接的可編程邏輯擴展塊構成，允許設計人員根據系統要求對軟硬件功能進行劃分。他們還可以在可編程邏輯擴展塊內實現功能，從而創建專有的高度優化的專用片上系統(SoC)。

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賽靈思全球市場營銷與業務開發高級副總裁 Vin Ratford 表示：“對這個器件的架構，我們動了很多心思，作了很多規劃，并從以前諸如基于PowrPCTM的 Virtex?-II Pro、Virtex-4 和 Virtex-5 FXT FPGA 等各種器件上以及競爭對手的失誤中吸取了不少的經驗教訓。所有這些器件毫無例外地采取了以硬件設計為中心的系統設計觀念，要么就是沒有足夠的處理能力，而我們的可擴展式處理平臺采用以處理器優先的方法，這樣軟件設計人員可以開箱即用，立即啟動開發工作。如果他們選擇不這樣做的話，他們甚至沒必要使用擴展塊。”

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不過許多由軟/硬件設計人員共同組成的設計小組對擴展塊表示支持。賽靈思計劃逐步優化使用模式，其最終目的是為軟件開發人員和系統開發人員提供一個環境，使得在沒有硬件設計人員的輔助下，軟件開發人員也可以對處理器之外的可編程邏輯擴展塊進行編程。Ratford 指出，與以往 FPGA 在處理器之前啟動的架構不同，這款最新的處理器優先平臺非常切合開發人員構建系統架構時的實際工作。

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Ranford 表示：“電子系統工程師和軟件工程師在進行系統設計時，一般會先進行軟件開發，然后確定在硬件中實施他們需要加速的功能。這樣他們就可以把他們的設計和應用最終要求的合適的性能、成本和功耗銜接起來。在啟動項目的時候，他們先進行概念驗證。他們不是很擔心如何實現與特定客戶具體要求的對接，但比較在意怎樣才能最靈活地在硬軟件之間劃分工作。經過多次調整，他們就可以決定把哪些功能交給硬件，哪些功能交給軟件，然后采取步驟進行優化，使之符合他們的系統要求。我們的器件可以幫助他們比以前更好更快地完成工作?！?/p>

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賽靈思將采用與新一代 FPGA（見側邊欄）相同的低功耗、高性能 28 nm 工藝技術來交付該新款可擴展式處理器平臺。

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圖1. 賽靈思可擴展式平臺將 ARM 處理器和可編程元件完美組合在一起

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為何選擇 ARM？

賽靈思選擇與 ARM 結成合作伙伴的原因在于該公司實力強大，而且還因其優質的處理器 IP 和軟件享有極佳的聲譽。實際上，ARM 架構經成為設計人員尋求高速度、低功耗微處理器內核的業界標準。

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Ranford 表示：“在軟硬件功能、性能、生態環境、用戶熟悉程度以及功耗等各個方面，ARM都可以輕松為這種新型架構提供最佳選擇的表現都很不錯。當功耗不僅成為無線應用，而且也成為有線應用優先考慮的因素時，在該器件中添加極低功耗處理器，將給用戶帶來令人興奮的可選項數目，幫助他們實現最佳系統平衡。他們可以讓硬件擴展塊執行某些功能，從而增強系統性能。他們還可以開發出時而具有驚人表現，時而只消耗幾毫安電量的系統。

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新架構的一項關鍵特性是接口。賽靈思采用高帶寬接口，將基于處理器的系統、擴展塊和共享存儲器連接在一起，從而實現以ARM處理器為基礎的完整系統與可編程邏輯擴展塊之間的互聯。相比之下，在同一電路印刷板(PCB)上由分立的基于MPU的ASSP芯片和FPGA構成的典型系統，一般需要100多個I/O才能將完美連接在一起。

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此外，在3月發布的AMBA總線的高級可擴展接口(AXI)第4版中，ARM囊括了專門針對可編程邏輯使用而優化的AXI規范擴展。AXI-4流媒體協議擴展是一種雙向縱橫通信交換機，能夠充分發揮豐富的I/O接口優勢，使工程人員能夠利用這款新的賽靈思器件把系統塊間吞吐量提升到全新水平，同時發揮IP廠商和客戶在過去20 多年里為ARM ASIC 和ASSP應用開發的大量硬件外設核心的性能。

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兩部分之間的緊密結合與集成，再加上新的AXI擴展，還意味著如果設計小組發現某個功能在處理器上運行不理想，或者需要加速某段代碼，他們可以針對這個功能創建硬件，并使用業界標準接口將其放入可編程邏輯擴展塊中。?

熟悉的軟件編程模型

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在開發新架構時，賽靈思非常重視目標客戶的要求及其工作偏好。

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因為新器件在復位時首先啟動處理器系統，因此軟件開發人員可以與硬件開發人員并肩協作，在開箱后可立即對處理器進行編程工作。通過并行實施這些關鍵性能，可以大幅縮短開發周期。

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賽靈思處理器市場營銷總監 Keith DeHaven 表示：“實際上，有些人買這款產品僅僅是為了用它的處理器系統。但該器件的價值在于用戶既可以利用其基于ARM的處理器系統來實現命令、控制與應用功能，又可以利用其可編程邏輯來定制、優化產品和實現其差異化?！?/p>

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DeHaven 表示，該處理器系統有一套固定的外設、開關及存儲器接口，能夠為軟件開發人員提供一致的可編程環境。此外，開發人員可以使用現有的ARM工具和可用硬件(見表1匯總)立即展開工作，一步到位。

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表 1. ARM公司有一個成熟而穩健的操作系統及 OS開發工具生態系統。該表列出了ARM Cortex 生態系統支持的一些操作系統。

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這個架構的真正價值，在于設計小組可以在處理器系統和可編程邏輯擴展塊之間交換功能?，F在，不僅是硬件工程師，軟件工程師也能決定器件如何運行。舉例來說，處理器系統可以使用擴展塊中的數據來完成外設功能，也可以把控制權委托給擴展塊。開發人員很可能需要運行軟硬件聯合仿真，來觀察給定功能是否在硬件上運行速度更快、功耗更小或是成本更低。而另一些開發人員只是想把不太可能修改的軟件功能卸載到擴展塊上，以釋放出更多處理器代碼空間，用于其它命令。

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一旦他們確定哪些功能由硬件負責，哪些功能由軟件負責，他們就可以讓他們的硬件工程師使用賽靈思ISE設計套件，并結合AMBA-AXI標準接口，在可編程擴展塊中實施這些功能。同時，在硬件小組對擴展塊進行編程的同時，開發人員可以繼續開發軟件。

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雖然處理器優先的架構很獨特，其使用模式也更好地反映了軟件開發人員的真實工作，賽靈思計劃讓這個流程更為直觀。

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賽靈思及其合作伙伴目前正在開發一個通用的標準加速器及外設(按硬件術語說，即IP核)綜合套件，以及相關的驅動程序和API，以便進一步幫助軟件開發人員和系統開發人員在設計中添加功能。其中一些加速器和外設將在產品發布時開發完畢，這樣用戶就可以集中精力開發自己的定制IP，以滿足系統需求并實現產品差異化。

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加速器和外設的尺寸不一，有設計人員可以在擴展塊中混合匹配使用的小功能，也有針對特定設計領域(連接、DSP和處理)和垂直市場(汽車、工業、科學和醫療、航空與國防、有線和無線通信等)的完整擴展功能。

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從長遠來說，賽靈思正在開發“C-to-FPGA”編譯器流程，努力為軟件開發人員和電子系統開發人員最終提供一種隨時可以在軟硬件編程環境中移動功能的途徑，便于系統的快速開發、評估和優化。DeHaven 表示：“我們的想法是使他們賽靈思系統能夠實現在 C 語言環境中進行開發，并迅速在硬件和軟件中看到結果?！睂嶋H上，賽靈思一直積極監控基準及分析機構BDTI評估C級綜合工具使用模式的調研結果。

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雖然軟件開發人員能夠使用支持ARM Cortex-A9的商業開發工具，賽靈思仍計劃將其工具和最新器件捆綁在一起，幫助開發人員立即著手工作。基于Eclipse的集成開發環境、基于GNU的編譯器、調試器以及驅動程序均將捆綁在工具套件和PCB中。DeHaven 表示：“用戶可以根據自己的選擇來使用該環境。他們可以使用支持Cortex-A9和ARM CoreSight調試接口的行業工具或賽靈思開發工具來進行開發?！?/p>

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除了 ARM 原生支持，賽靈思還與主要的第三方解決方案供應商密切合作，針對使用新器件的工程人員，開發器件專用的軟件包(操作系統和開發工具)。

賽靈思開發新架構的動力，來自客戶對可擴展、靈活、可升級，能讓他們迅速根據他們的需要開發衍生產品的器件的需求?？蓴U展式處理平臺可以使他們產品從采用固定功能ASSP 和 ASIC 的競爭系統中脫穎而出。Ratford表示：“我們已經向幾位客戶預先展示了這款器件。他們急于想得到這款器件。我覺得這款器件的市場潛力無法估量?！?/p>

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舉例來說，賽靈思預計任何融合智能視頻的垂直市場都可以通過使用這款器件立即獲益。智能視頻需經多重處理步驟，比如像素級預處理。這個步驟計算量大，特別適合運用可編程邏輯的并行處理能力。智能視頻還需要元件級的分析處理，這可以通過將兼容的并行（可編程邏輯）和串行（基于 MPU）處理能力相結合來實現。同時，幀級應用處理需要一般由 MPU執行的決策、控制和通信處理能力來實現。

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具體來說，有利可圖的視頻市場包括機汽車駕駛輔助、消費用多檔次多功能打印機、使用掃描儀的普通嵌入式系統、工業智能像機（包括因特網協議監控攝像機與機器視覺、DVR、醫療影像系統、廣播演播室攝像機和編碼轉換器）、以及國防級夜視設備。

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汽車駕駛輔助就是能夠立即從新架構中得到好處的智能視頻應用之一。這個領域的主要客戶多年來一直在敦促賽靈思創建基于 ARM 處理器的可擴展式平臺。

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汽車行業的客戶可以對器件進行編程，以控制和分析環車身 360 度布置的多個傳感器提供的數據，并且讓每個傳感器同時執行多項功能。舉例來說，智能控制傳感器可以讓這些傳感器監控車道，探測鄰近車道上突然并線的車輛并讓車輛的速度與前面的車輛同步，探測行人，監測停放車輛之間的距離以確定準確的停放位置——所有這些都可以同時進行。這樣的系統在探測到威脅的時候可以立即向駕駛員發出告警。它甚至還可以自動讓車輛減速，以避免碰撞。

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　　新器件以處理器為核心，而非以 FPGA 為核心。在許多應用中，您希望控制軟件能夠根據您正在運行的軟件來完成 FPGA 的再編程工作，有時您又需要讓處理器獨立于 FPGA 架構自行運行。

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因為這種器件軟硬件都可以編程，一級廠商可以面向不同的汽車制造商和每個廠家的不同產品線提供該控制器的衍生產品，而不必更改控制單元的整體配置。如此強大的功能可以為 OEM廠商節省大量的時間、工作量和資金。此外，軟硬件編程能力還意味著該器件可以在現場進行維護或升級。

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類似的，在工業控制領域，用戶可以開發出能夠管理和分析來自一系列傳感器和電機的數據的系統，實時地甄別出裝配線上有缺陷的產品、探測機械上的裂紋、關閉過熱或者空載的電機，從而降低工廠成本、優化操作，乃至拯救工人的生命。

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新器件在有線和無線通信市場領域也有著巨大的潛力，特別是在無線 LTE 射頻、基帶和企業毫微微蜂窩基站，以及有線通信領域的路由器、交換機、復用器。