מערך השערים הניתנים לחיזוי שדה (FPGAs) מספק סיליקון מחדש substrate המאפשר למהנדסים ליישם לוגיקה דיגיטלית אישית.אחד היכולות הטרנספורמציות ביותר של FPGAs המודרנית הוא היכולת מיידית מעבדי ליבות רכות-core - יחידת עיבוד מרכזית (CPU) שתוארה בשפות תיאור חומרה (HDs) כגון VHDL או Verilog ו-RISL לתוך דרישות עיבוד רכות, בניגוד למעבדים מאובטחים מאובטחים אלה.

מה הם מעבדים קלים?

מעבד רך-core הוא הליבה מיקרו-מעבדית הקיימת כעיצוב HDL synthesizable.כאשר טעון לתוך FPRVGA, הוא תופסת בלוקים לוגיים ניתנים לחיזוי - טבלאות (LUTs), טבלאות כפיפות, קופות RAM (BRAM), עיבוד אותות דיגיטליים (DSPH) ומשאבים רוטטטיביים - כדי ליישם את הנתונים של המעבד, יחידת הבקרה, ההוראה, ההגיון, להביא דוגמאות פופולריות, כגון מעבדים Sv1, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מספר כפולים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מספר ליטרים של מעבדים של מעבדים של מעבדים של מעבדים של מעבדים, מעבדים, מעבדים של מעבדים, מעבדים, תכונות זיכרון של מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים, מעבדים

בניגוד ליבת מעבד קשה (למשל, מעבדי ARM Cortex-A או Cortex-R משובצים ב- Xilinx Zynq או Intel SoC FPGAs), מעבדי קוד רך מציעים גמישות מלאה. Designers יכולים לבחור פרמטרים כגון עומק צינורות (שלושה שלבים, חמישה שלבים, או יותר), גודל מטמון (נתונים ומדריכים מ 0 KB לעשרות של מל"ל), יחידת צף / Fights) ו-R (R) עם מערכת בודדת (R) משולבת עם מערכת אחידהכולה-FDouble-FDLCD) או יותר, כולל (R) ו-FDoubleC) ו-FDoubleC (R) הוא גם עם מערכת הפעלה (מתאים עם מערכת הפעלה (R) ו-FDouble-R) באופן קבוע (מתאים עם מערכת הפעלה (מתאים עם מערכת הפעלה (מתאים עם מערכת הפעלה (מתאים עם מערכת הפעלה (מתאים עם מערכת הפעלה אחידהחלודה (מתאים עם מערכת אחידהתקני חומרה (מתאים עם מערכת הפעלה אחידהתקני חומרה (מתאים עם מערכת אחידהחליפה (מתאים אישית (מתאים עם מערכת אחידהחליפה (מתאים עם CDV

קשה לעומת Soft-core Processors

FeatureHard ProcessorSoft-core Processor
PerformanceHigh clock speeds (0.5-2+ GHz)Moderate (50-400 MHz typical)
Resource usageNone (pre-fabricated silicon)Consumes LUTs, BRAM, DSP
FlexibilityFixed architectureConfigurable, extensible
Design effortUse proven IPRequires HDL and toolchain expertise
CostHigher upfront for SoC FPGAsLower BOM, no external CPU

יתרונות השימוש ב- Soft-core Processors

התאמה לא מתאימה

הכוח העיקרי של מעבדי רכות-core הוא ביכולתם של מפתחים יכול להתאים את המעבד בדיוק כדי להתאים את הדרישות החישוביות של היישום שלהם.לדוגמה, משימה מוכוונת שליטה עשויה להיות צורך הליבה קטנה, נמוכה כוח עם שלבים מינימליים של צינורות, בעוד אלגוריתם עיבוד אותות דיגיטליים עשוי ליהנות מ- FPU ומכפל הרחבות מצטברות רכה רבות, המאפשרות למעצבים להוסיף הוראות מותאמות אישית, ללא אלגוריתמים קריטיים.

שילוב עמוק עם Custom Hardware

מעבדי PCB רכים מתגוררים בתוך אותו הבד FPGA כמו שאר המערכת הדיגיטלית.זה מאפשר חיבורים חלקה, גבוה פסווי בין המעבד לבין מאיצים מותאמים אישית, בקרים זיכרון, ממשקי I / O, או במהירות גבוהה טרנזוורטורטורים. FP ללא מטריקס יחיד, aXI4, Avalon, Wishbone) ניתן לשתף את כל ה- IP, לחסל את משימות רדיו מהירות המכילות מהירות אחת, כגון FPIp, כלומר, תכונות רדיו חד-מסלולאריות, ללא מטריקס יחיד.

עלויות ומועצת המנהלים

על ידי ביטול הצורך מיקרובקר נפרד או מיקרו-מעבד IC, מעבדי רכות-core להפחית את עלויות ה-p-of-חומרים (BOM) עלות, אזור לוח וצריכת חשמל. בייצור נפח נמוך ל-medium, החיסכון מהסרת CPU חיצוני ורכיבי התמיכה המשויכים שלו (אוסלוזרים, משמרות, שבבי זיכרון) יכול להוריד את העלות של FPGA גדול יותר, בנוסף ל-AFPG, לתקן את התכונות של ציוד זה יכול להיות מעודפות.

פשטות מהירה וההרסה

כלי ספק FPGA מספקים ליבות IP מוכנות לשימוש עבור מעבדים רכים, יחד עם מפות זיכרון תצורה, התנגשויות בקרים, בלוקים היקפיים. מהנדסים יכולים מידלידי הליבה מעבד בתוך דקות באמצעות כלים כגון Xilinx Vivado IP Integrator או Intel Platform Designer. Change the התצורה - אומר, הגדלת גודל cache או הוספת FPU - רק סינתזה יקרה, אשר יכול לחקור מיקרו-מעבד מהיר.

יכולת והתאמה

לוגיקה של מעבד רך-core מוגדרת לחלוטין על ידי FPGA bitstream.אם פרוטוקול חדש מתגלה, פגיעת אבטחה מתגלה, או דרישות מערכת משתנה, המעבד כולו יכול להיות מעודכן פשוט על ידי טעינה של bitstream חדש. זה הסתגלות חוסך חומרה ועלויות לוגיסטיות עבור מערכות פרוסות במקומות מרוחקים או ביישומים מחזוריים ארוכים כמו תשתיות טלקום, אוטומציה תעשייתית, ומרחב אווירו.

סקלאלה ומקבילות

מעבדים רכותיים רבים יכולים להיות מוגדרים באופן אישי - חלק ללא - מחובר באמצעות זיכרון משותף או קישורים נקודתיים ייעודיים.כל ליבה ניתן להגדיר באופן אישי - חלק עם FPU, חלקם ללא - מחובר באמצעות זיכרון משותף או קישורים ייעודיים נקודה לנקודה אל נקודתיים. גישה זו סולמות חישוב דרך חישוב דרך לוח זמנים ליניארי עם מספר ליבות, כל עוד היישום הוא מקביל עבור מערכות אמיתיות, שני מעבדים או קבוע.

ניהול כוח ו-Thermal Management

מעבדי Soft-core מאפשרים ניהול חשמל מלוטש קנסות מעבדים לא מנוצלים ניתן להפעיל באמצעות גלי שעון או איים כוח; שלבים ספציפיים של צינורות ניתן לכבות כאשר לא צריך. כי המעבד בנוי ממרקג FPGA, צריכת האנרגיה הדינמית היא פרופורציונלית ניצול ותדירות ההגיון.זה נותן למעצבים את היכולת לסחור ביצועים עבור כוח ברמה המערכת, משהו לא אפשרי עם מעבד קבוע בקצב קבוע.

דיון מתקדם וניתוח

מעבדים רכות רבים כוללים מודולים מתוחכמים נגישים באמצעות JTAG או USB. תכונות כגון מעקב בזמן אמת, מחזור-accurate profiling, נקודות הפסקה חומרה, ומפקחי אוטובוס AXI מאפשרים למפתחים לאמת התנהגות מערכת זמן רב לפני העלייה למטוס. כמה כלים יכולים אפילו לתאם הוראות שבוצעו עם אותות HDLTime גלפורציות, מתן רמה של חשיפה כי מתחרים תוכנות מסורתיות debuggers.

ערך חינוכי ומחקר

מעבדי Soft-core משמשים נרחב בקורסים באוניברסיטה כדי ללמד ארכיטקטורת מחשב ועיצוב דיגיטלי.סטודנטים יכולים לשנות את המיקרו-ארכיטקטורה של מעבד - מנבא סניף, לשנות את מדיניות החלפת ה- cache, או ליישם הוראה חדשה - ולראות את ההשפעות על ביצועים ושימוש מיידי על חומרה אמיתית.מערכת אקולוגית הקוד הפתוח RISC-V הורידה עוד יותר מחסומים, מה שהופך את זה קל לניסוי עם ליבות ללא רישיונות יקרים.

יישומים משותפים במערכות דיגיטליות

בקרה ואוטומציה תעשייתית

מעבדי Soft-core מצטיינים ביישומים הדורשים שליטה בזמן אמת , כגון כונן מוטורי, בקרים רובוטיים, ובקרי לוגיקה הניתנים לתוכנה (PLCs) המעבד יכול להתמודד עם רמת גבוהה תוך מאיץ חומרים חומרה מותאם אישית ליישם את ההתערבות הבטיחותית, מודולציה דו-פעמית, או בקרת המרה אנלוגית-ל-ל-דיגיטלית.

רדיו מבוסס תוכנה (SDR)

במערכות SDR, מעבד רך-core מצליח גישה ספקטרום דינמי, בחירת ערוצים וערימות פרוטוקול, בעוד בלוקים DSP ייעודי מבצעים סינון ומודולציה / שכפול.היכולת לשנות את המעבד כדי להתמודד עם גלפורציות שונות (למשל, Wi-Fi, LTE, Bluetooth) ללא שינוי חומרה היא קריטית עבור רדיוים מרובים סטנדרטיים.

אותות דיגיטליים ועיבוד תמונה

הוראות מכס מאפשרות מעבדי רך-core להאיץ הלולאות פנימיות עבור FFTs, convolution, או דחיסה.לדוגמה, הליבה מיקרו-בזה ניתן להרחיב עם חומרה מכפיל-אקומולטור (MAC) ויחידה לביצוע צינורות עיבוד תמונה בשיעורי הזרמה. בשילוב עם גישה ישירה לזיכרון (DMA) מנועים, מערכות אלה משיגות באמצעות ערכות לפני זמן ניתנות רק עם ASICs ייעודי.

האינטרנט של דברים (IoT) Edge Computing

נמוך-cost FPGAs עם מעבדי רכות-core מאפשרים נקודות קצה חכמות.המעבד מטפל בפרוטוקול encapsulation (MQTT, CoAP) ומיזוג חיישן, בעוד ממשקי ההיגיון הניתנים לתוכנה ישירות עם חיישנים אנלוגיים, זיכרון פלאש, ו transceivers אלחוטיים. bitstreams המאפשרים כתמים או חדש ב- AI כדי להיות פרוסים על פני מתקנים נרחבים.

מערכות רכב ואוויר

יישומים קריטיים בטיחותיים נהנים מהדוניזם וסובלנות אשמה שניתן להשיג עם מעבדים קלים-core. ליבות מרובות מפוכחות חד-משמעיות ניתן לבצע מיידית עבור פעולת נעילה; מעגלים סטנדרטיים לתיקון שגיאות (ECC) ניתן לעטוף סביב המעבד. מאחר ואותו FPGA יכול ליישם הן את המעבד והן את בטיחות פונקציונלית, תהליכי הסמכה (ISO 262, DO2-254) הם פשוטים.

אינסטרציה מדעית וציוד מבחן

In high-speed data acquisition and instrumentation, a soft-core processor coordinates multiple parallel ADC/DAC channels, triggers, and data storage. The processor's configurable bus width and low-latency interfaces allow it to process streaming data with minimal jitter, while the FPGA's reconfigurable front-end adjusts to different measurement modes.

אתגרים ושיקולים

הגבלות ביצועים

מעבדי Soft-core בדרך כלל לרוץ במהירויות השעון בין 50 MHz ל -400 MHz - רחוק מתחת לאלה של מעבדים קשים (0.5-2 GHz) כל פעולה לוגיקה מתרחשת בעיכוב באמצעות מספר רב של LUTs ו- routing, הגבלת תדירות.עבור משימות compute-intensive, מעבד קשה או מאיץ ייעודי עשוי להיות נחוץ.

המונחים: Utilization

יישום מעבד צורכת חלק משמעותי של משאבי FPGA.A בסיסי 32 סיביות RISC-V הליבה עשוי להשתמש 2,000-4,000 LUTs ו 4-8 חסימות RAM, בעוד מיקרובזה עשיר תכונה עם cache ו FPU יכול לעלות על 10,000 LUTs ו -100 RAM חוסם.זה משאיר פחות משאבים עבור שאר העיצוב.

קיבולת כלי ומערכת אקולוגית

כל מעבד רך-core קשור לעיצובי הכלי של הספק שלה.מיקרובאז דורשים שילינקס ויאדו או ISE; Nios II דורש אינטל Quartus. Open-source RISC-V הליבהs מציעים יותר חופש אבל עדיין דורש כלים סינתזה (למשל, Yosys) וחבילות תמיכה לוח שלא יהיו כמו דביר בוגר יכול גם לשנות צוות.

כוח סחר-offs

בעוד מעבדי רכות-core יכולים להיות יעילים יותר מסיליקון ייעודי, הכוח הדינמי שלהם ל- MIPS הוא בדרך כלל גבוה יותר מזה של מעבד קשה כי הבד FPGA הוא פחות יעיל מאשר סיליקון ייעודי או מוגבל תרמי, כוח חיצוני נמוך MCU עשוי להיות מתאים יותר. עם זאת, את הכוח הכולל (כולל כל היקפים המשולבים ב FPGA) עשוי עדיין להיות נמוך יותר מאשר פתרון רב-צ'י.

הצצה לאחור ומורכב אריתמטי

מעבדים רכות רבים מציעים מעבדים אופציונליים, אבל הביצועים עדיין מפגרים מאחורי FPUs קשיח. עבור יישומים הדורשים מתמטיקה כפולה אינטנסיבי, מעבד קשה או מאיץ צף מותאם אישית מומלץ קבוע נקודה קבוע, נתמך על ידי רוב ליבות רכות, לעתים קרובות מספק דיוק הולם עבור לולאות בקרה ועיבוד.

תחזית עתיד

העלייה של ארכיטקטורת הקוד הפתוח RISC-V העלתה את הנוף המעבד הרכות-core. RISC-V ליבות זמינים כעת בגרסאות רבות יותר – ממיקרו-בקרים זעירים בשלב 2 ועד ל-Out-of-order, Multi-threaded CPUs - כל אלה חופשיים מדמי רישוי מופשטים.דמוקרטיזציה זו מאפשרת אפילו קבוצות קטנות לבנות מערכות מעבדים מותאמים אישית.

מסקנה

מעבדי Soft-core מייצגים כלי רב עוצמה עבור מהנדסים עיצוב מערכות דיגיטליות מבוססות FPGA.ההתאמה שלהם, שילוב חומרה עמוק, יעילות עלות, ורווחה שדה הופכת אותם אידיאליים למגוון רחב של יישומים - משליטה תעשייתית ורדיו מוגדר תוכנה ועד קצה מחשוב קצה והתאמה מדעית. בעוד הביצועים והמשכיות משאבים קיימים, אפשרויות אדריכליות זהות יכולות להניב מערכות אופטימיזציה מאוד, מהירות, כמו גם פונקציות קוד פתוח, כמו פונקציות מודרניות, כמו פיתוח, יכולות להמשיך לשחק מערכת הפעלה.

(ב) לסקירה נוספת, התייחס לתיעוד הרשמי של ה-FLT:0Xilinx MicroBlazezephph1 ו-FLT:2Intel Nios IIFLT 3: או לחקור את הקוד הפתוח (FLT:4RISC-Valisches FLT:5 for free Soft-cores).