Für embedded Anwendungen, die individuell konfiguriert werden können, hat Altera neue ARM-basierte SoC-FPGAs entwickelt. Die SoC-FPGAs bestehen aus einer Schaltfabrik der 28-nm-FPGAs Cyclone V oder Arria V von Altera und einem Dual-Core ARM Cortex-A9 MPcore Prozessor. Weiterhin befinden sich in der Einchip-Lösung noch Speicher-Controller mit ECC (Error Correcting Code), Peripheriefunktionen und breitbandige Verbindungen zwischen den einzelnen Elementen.
Die SoC-FPGAs werden von der ARM-Entwicklungsumgebung mit Software-Tools, Debuggern, Betriebssystemen, Middleware und Applikationen unterstützt. Darüber hinaus können Anwender den SoC-FPGA-Designflow von Altera nutzen, um kundenspezifische ARM-basierte Systeme zu entwickeln. Applikationen sind in der Industrie, der Automobilelektronik, bei der Video-Überwachung, in der drahtlosen Kommunikationsinfrastruktur und für Computer- bzw. Speichertechnik möglich.
Die Cyclone V- und Arria V-SoC-FPGAs von Altera verfügen über einen Dual-Core ARM Cortex-A9 MPCore Prozessor mit 800MHz, eine NEON Media Processing Engine, eine Gleitkommaeinheit mit einfacher/doppelter Genauigkeit, L1- und L2-Caches, ECC-geschützte Speichercontroller und Speicher sowie Peripherie. Das Prozessorsystem kann bis zu 4.000 DMIPS bei weniger als 1,8W liefern. Prozessorsystem und FPGA-Schaltfabrik werden unabhängig voneinander versorgt und können in beliebiger Reihenfolge konfiguriert und gebootet werden.
Einmal im Betrieb, kann der FPGA-Anteil bei Bedarf ausgeschaltet werden, um Systemverlustleistung zu sparen. Das ARM Cortex-A9 MPCore Prozessorsystem und das FPGA sind über Datenpfade mit verbunden, die bis zu 125 GBit/s Bandbreite mit integrierter Daten-Kohärenz bieten. Diese Leistung kann mit einer Zweichip-Lösung nicht erreicht werden. Ein integrierter SoC-FPGA-Chip ermöglicht es Board-Entwicklern, auf externe I/O-Pfade für die Verbindung zwischen Prozessor und FPGA zu verzichten, was die Systemverlustleistung reduziert.
28nm-Prozess als Basis
Die Cyclone V- und Arria V-SoC-FPGAs basieren auf einem Strom sparenden 28-nm-Prozess (28LP). Die Familien beinhalten Embedded-Transceiver mit 5 bzw. 10 GBit/s. Die FPGA-Schaltfabrik enthält auch DSP-Blöcke mit variabler Genauigkeit sowie zwei hardwaremäßige ECC-Speichercontroller. Die Cyclone V SoC-FPGAs bieten bis zu 110K Logikelemente (LEs) und können z.B. in hochvolumigen Anwendungen wie Industrieantrieben, Fahrerassistenzsystemen oder in der Video-Überwachung verwendet werden.
Die Arria V-SoC-FPGAs sind für Midrange-Anwendungen vorgesehen. Sie bieten bis zu 460K LE und sind für Lösungen wie kabellose Kopfhörer, LTE-Basisstationen oder Multifunktions-Drucker optimiert.
Entwicklungsumgebung für die SoC-FPGAs
Mit den SoC-FPGAs können sowohl Hardware- als auch Software-Entwickler arbeiten, indem sie gängige Tools und Designflows sowohl für den Cortex-A9 MPCore als auch das FPGA nutzen. Mit der Quartus II Software von Altera können sie kundenspezifische Peripherals und Hardwarebeschleuniger generieren und sie mit Hilfe des Systemintegrations-Tools Qsys von Altera zusammen mit dem Prozessorsystem integrieren.
Qsys beschleunigt das Hardware-Design, indem es automatisch die erforderliche Verbindungslogik generiert, um IP-Funktionen oder Subsysteme miteinander zu verbinden. Qsys erzeugt auch automatisch ein FPGA-optimiertes NoC (Network-on-Chip) für eine vereinfachte Wiederverwendung von Designteilen und deren Verifizierung. Qsys unterstützt Standard-Interfaces wie Avalon Memory-Mapped, Avalon Streaming und AMBA AXI von ARM.
Damit können Entwickler IP-Cores mit mehreren Interfaces in einem Design nutzen und auch wiederverwenden. Da SoC-FPGAs auf einem standardmäßigen ARM Cortex-A9 MPCore Prozessor basieren, sind sie kompatibel mit der bestehenden ARM-Software. Die Software-Entwicklung für Systeme mit SoC-FPGAs kann sofort mit dem SoC FPGA Virtual Target von Altera gestartet werden.
Preise und Verfügbarkeit
Embedded-Software-Entwickler können sofort mit dem Schreiben bausteinspezifischer Applikationssoftware für die SoC-FPGAs von Altera beginnen. Dafür steht das SoC FPGA Virtual Target bereits zur Verfügung. Erstes Silizium wird in der zweiten Jahreshälfte 2012 verfügbar sein und durch Referenzdesigns und Entwicklungsboards unterstützt. Für hochvolumige Stückzahlen werden die Preise für ein SoC-FPGA bei weniger als 15 US-Dollar liegen.
Was steckt hinter dem Virtual Target
Unter dem Namen Virtual Target bietet Altera ein Tool für FPGAs an, mit dem bausteinspezifische Embedded-Software für die SoC-FPGAs entwickelt werden kann. Auf einer Lösung von Synopsys für das virtuelle Prototyping basierend, ist Virtual Target eine PC-basierte funktionelle Simulation des SoC-FPGA-Entwicklungsboards von Altera.
Es stell eine binär- und Register-kompatible Entsprechung des Boards dar, womit die auf dem Virtual Target entwickelte Software auf das tatsächliche Board transferiert werden kann. Es ist Linux- und VxWorks-fähig und wird durch Tools der ARM-Designumgebung unterstützt. Embedded-Softwareentwickler können so ihre Applikationen in gewohnter Tool-Umgebung entwickeln. Dabei kann bestehender Code oftmals wiederverwendet werden.
Entwickler können Linux auf dem SoC-FPGA Virtual Target booten, indem sie eine vorgefertigte Linux-Kernel-Abbildung mit Gerätetreiber-Unterstützung für alle wesentlichen Komponenten des SoC-FPGA-Entwicklungsboards nutzen. Außerdem sind kostenfreie Downloads von GNU-Tools und Linux-Source von Altera verfügbar. Auch ein VxWorks BSP (Board Support Package) wird noch in diesem Quartal für das SoC Virtual Target verfügbar sein. Weitere BSPs für andere Embedded-Betriebssysteme werden folgen.
Zu den Tools die von Virtual Target unterstützt werden zählen GNU-Tools, ARM RVDS, die ARM Development Studio 5 (DS-5), der Lauterbach TRACE32 Debugger und Wind River Workbench. Als ein Simulations-Modell bietet Virtual Target mehr Einsicht in das System während des Debugging. Damit kann der Anwender die Target-Ausführung (speziell in einem Multicore-System) besser überwachen und viele Debugging-Aufgaben ausführen, die in Hardware kaum oder gar nicht möglich sind.
Als sofort nutzbares Simulationsmodell, bietet das SoC FPGA Virtual Target den selben Dual-Core ARM Cortex-A9 MPCore Prozessor und die Peripheriefunktionen wie in den Cyclone V und Arria V SoC-FPGAs, zusammen mit Komponenten auf Board-Ebene wie DDR- und Flash-Speicher sowie virtuelle I/Os.
Um die Entwicklung von Applikations-Software sowohl für das hardwaremäßige Prozessorsystem als auch für die kundenspezifische FPGA-basierte IP zu ermöglichen, bietet Altera eine optionale Erweiterung des Virtual Target. Diese Erweiterung wird mittels eines FPGA-Entwicklungsboards von Altera implementiert, das mit dem PC-basierten Virtual Taget über ein PCIe-Interface verbunden ist.
Mit dem Virtual Target und der „FPGA-in-the-Loop”-Erweiterung können Anwender das Prozessor-Subsystem um kundenspezifische Peripherie und Hardware-Beschleuniger erweitern, entsprechende Treiber erzeugen und mit der Applikationssoftware integrieren, noch bevor die eigentliche Hardware verfügbar ist.
Verfügbarkeit
Das SoC-FPGA Virtual Target ist ab sofort von Altera verfügbar. Die „FPGA-in-the-loop”-Erweiterung ist für Anfang nächsten Jahres geplant.
