FPGA研發(fā)之道(2)FPGA和他那些小伙伴們(一)系統(tǒng)架構組

　　通常來講，“一個好漢三個幫”，一個完整的嵌入式系統(tǒng)中由單獨一個FPGA使用的情況較少。通常由多個器件組合完成，例如由一個FPGA+CPU來構成。通常為一個FPGA+ARM，ARM負責軟件配置管理，界面輸入外設操作等操作，F(xiàn)PGA負責大數(shù)據(jù)量運算，可以看做CPU的專用協(xié)處理器來使用，也常會用于擴展外部接口。常用的有ARM+FPGA，DSP+FPGA，或者網絡處理器+FPGA等種種架構形式，這些架構形式構成整個高速嵌入式設備的處理形態(tài)。

　　不得不說的是，隨著技術的進步，現(xiàn)在CPU中集成的單元也隨之增加，例如TI的“達芬奇”架構的處理器內部通常由ARM+DSP構成。同時異構的處理器形態(tài)業(yè)逐漸流行，如ARM9+ARM7的結構。這類一個主要處理系統(tǒng)(ARM9)外帶輔助處理系統(tǒng)(ARM7)的設計，同樣成為現(xiàn)在處理器設計的流行方向。主處理系統(tǒng)運行嵌入式操作系統(tǒng)，而輔助處理單元則專注某一些的專用領域的處理。這些系統(tǒng)的應用減少了FPGA作為CPU協(xié)處理單元的領域。因為畢竟FPGA相比ARM等流行嵌入式處理器價格要相對較高。

　　在這種情形下，F(xiàn)PGA的廠商似乎也感受到了壓力，不約而同推出了帶ARM硬核的FPGA，例如ALTERA的 和XILINX的ZYNQ和ALTERA的SOC FPGA。這是即是互相競爭的需要，也是同眾多CPU廠商一掰手腕的杰總。即使在這兩種在趨勢下，經典的處理器+FPGA的設計仍然可看做為高性能嵌入式系統(tǒng)的典型配置。

　　經典的處理器+FPGA的配置中有多種的架構形式，即多個處理器單元,可能是ARM，MIPS,或者DSP，F(xiàn)PGA也可能是多片的配置，具體架構形式于具體處理的業(yè)務相關和目標設備的定位也相關。因為FPGA作為簡單業(yè)務流大數(shù)據(jù)量的處理形態(tài)仍然是CPU無可比擬的優(yōu)勢，F(xiàn)PGA內部可以開發(fā)大量業(yè)務數(shù)據(jù)并行，從而實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)處理。

　　在實現(xiàn)高速處理方面，CPU的另一個發(fā)展趨勢是多核，多核處理器也能處理大數(shù)據(jù)量的業(yè)務的并行，例如業(yè)界TERILA已推出64核的多核處理器，采用MIPS處理器，通過二維MASH網絡連接在一起，形成NOC的結構。在性能上已經和現(xiàn)有的高速FPGA的處理能力上不相上下。但是多核處理器的不得不說的問題就是，同一業(yè)務流分配到多核處理上后，如需交互，例如訪問同一資源，就會造成讀寫的緩存一致的問題，解決的這一問題的天然思路是加鎖，即在變量訪問上加自旋鎖，但是帶來的問題就是處理性能的急劇下降。而FPGA無論并行處理和同一變量的訪問，都可以變成工程師的設計水平的問題，沒有原理性的挑戰(zhàn)。

　　沒有一種器件可以滿足全人類的眾多需求，因此不用擔心FPGA沒有用武之地。必定是一系列產品的組合。下面主要介紹一下FPGA可以作為現(xiàn)今熱門場景的幾種應用。

　　(1)網絡存儲產品，特別是現(xiàn)在的NAS，或者SAN設備上，其存儲的時間、接口、安全性等都要求較高，而FPGA無論處理性能還是擴展接口的能力都使其在這一領域大有作為?，F(xiàn)在高端FPGA單片就可以擴展32個或者更多4G或者8G的FC接口。并且其協(xié)議處理相對的固定，也使FPGA在這一領域有大量的可能應用。

　　(2)高速網絡設備，現(xiàn)在高速網絡設備10G、40/100G以太網設備領域，同樣FPGA也是關鍵的處理部件。特別是IPv6的商用化及大數(shù)據(jù)對于基礎設施的高要求，都使這一領域的處理應用會逐漸廣泛，這一領域通常是高速網絡處理器(NP)+FPGA的典型架構。

　　(3)4G等通信設備，對于新一代通信基站的信號處理，F(xiàn)PGA+DSP陣列的架構就是絕配。特別是在專用處理芯片面世之前，這樣的架構可以保證新一代通信基礎設施的迅速研發(fā)和部署。

　　沒有完美的架構，只有合適的組合，各種芯片和架構都是為應用服務，互相的滲透是趨勢，也是必然。FPGA相對處理器的可編程領域，仍然屬于小眾(雖然人數(shù)也不少)。但是正像一則笑話所說：大腿雖然比根命根子粗，但決沒有命子重要。這算開個玩笑。FPGA的實現(xiàn)為以后的芯片化留下了許多可能和想象空間，從而在應用大量爆發(fā)時通過芯片化來大幅降低成本，這這也正是其他可編程器件所不能比擬的。