Навіщо застосовувати мікроконтролер у FPGA?

Зараз я "розслідую" FPGA, що вони можуть зробити, як вони це роблять і т.д.

У більш ніж одному місці ( наприклад, тут ) я бачив проекти, які реалізують простий мікроконтролер з FPGA.

Отже, моє запитання:
я хотів би знати, яка мета виконання таких реалізацій? Навіщо використовувати мікроконтролер, реалізований у FPGA, замість того, щоб мати мікро-борт? Які переваги? А можливо також і які недоліки?

Переваги:

• надзвичайно швидкий інтерфейс між мікроконтролером та будь-яким користувальницьким інтерфейсом або логікою вводу / виводу на мікросхемі.
• налаштовані інтерфейси процесора та налагодження
• Крім того, часто простіша логіка керування, ніж написання коду управління з, скажімо, VHDL

Недоліки:

• Можливо, дорожча FPGA потрібна, щоб підходити як до мікроконтролера, так і до користувацької логіки, порівняно з просто власною логікою на FPGA
• Можливо, складніше здійснити, особливо з пам'яттю і якщо ядро ​​складне, ніж готовий мікроконтролер на окремій мікросхемі.

Якщо ваш проект буде використовувати FPGA для бурхливої ​​роботи, і він має запасну ємність, чому б ви пішли за рахунок додаткового чіпа, коли ви зможете просто реалізувати його в FPGA?

Для багатьох процедурних середовищ управління може бути значно простіше реалізувати необхідну установку мовою, такою як C, ніж намагатися зробити це в VHDL або Verilog. Додаючи мікроконтролер у FPGA, ви отримуєте найкраще з обох світів - потужність VHDL / Verilog тощо для логіки та систем взаємодії, а також простоту процедурної мови для основних систем управління та управління.

На додаток до відповідей Majenko та PkP:

Ця тенденція вбудовування процесора в FPGA дизайн призвела до декількох різнорідних систем, таких як:

• Сім'я Xilinx 'Zynq-7000
• FPGA з Arria / Cyclon / Stratix SoC від Altera
• SmartFusion MicroPemi FPGA

На ринку також є чіп Intel Atom + Altera FPGA: http://www.altera.com/devices/processor/intel/e6xx/proc-e6x5c.html

Більшість безкоштовних мікроконтролерів для FPGA страждають від поганої підтримки ланцюга інструментів. Вбудовані процесори ARM поставляються із підтримкою відстеження / налагодження, компіляторами (ланцюжок інструментів gcc) та повною підтримкою Linux. Ось опитування, представлене на FPL 2014: http://dx.doi.org/10.1109/FPL.2014.6927482

Правка 1:
Існує також клас пристроїв PSoC (програмована система на чіпі) від Cypress. Ці пристрої включають мікроконтролер (M8C, 8051, ARM Cortex M0 або Cortex M3) та класичні контролери або пристрої інтеграції вводу / виводу SoC (I²C, SPI, таймер, CAN, DAC, ADC, OpAmp, ...) та програмовані частина. Ця частина не настільки програмована на дрібне зерно, як класичні FPGA, але її можна використовувати для впровадження додаткових контролерів вводу / виводу або вбудованих апаратних прискорювачів. PSoC дозволяє використовувати аналогові компоненти у своєму дизайні.
http://www.cypress.com/psoc/?source=CY-ENG-HEADER

Огляд PSoC:

Якщо вам просто знадобився мікроконтролер і не було FPGA, було б незвично використовувати FPGA з мікропрограмою мікроконтролера. Однак не всі проекти ростуть у цьому напрямку. У багатьох завданнях очевидна потреба в FPGA, але зрештою натрапляють на завдання, яке насправді не підходить для рішення VHDL. Іноді проблему просто найкраще вирішує центральний процесор. Або іноді це навпаки: деякі завдання просто не підходять для центрального процесора - їм потрібен паралелізм.

На той час у вас є вибір. Ви можете або додати додатковий чіп до свого пристрою, або можете зрозуміти, що на FPGA ви не використовуєте купу запасних воріт. Ліцензуйте трохи IP, і ви можете мати робочий процесор загального призначення за найкоротший час!

Ще одна цікава деталь - ви можете налаштувати деякі мікропрограмні мікропрограми. Я знаю проекти, які вбудовували Power PC, але позбавили всіх воріт, необхідних для підтримки з плаваючою точкою, і гарного фрагменту передбачення гілки. Це зробило його досить маленьким, щоб одночасно поєднуватися з прошивкою на базі VHDL.

Існує кілька поважних причин існування мікропроцесора або мікроконтролера в FPGA. Ось три:

1. Ви просто хочете дізнатися про роботу процесора. FPGA дають вам нескінченний спосіб перевірити, що відбувається всередині процесора під час виконання коду. Це лише для навчання.

2. Ви впроваджуєте велику систему, яка вимагає апаратних швидкостей FPGA (швидше, ніж програмне забезпечення, яке виконується на мікропроцесорі), але для вашого дизайну потрібна складна державна машина, яка легше реалізується за допомогою програмного забезпечення, що працює на простому процесорі, як Xilinx PicoBlaze ніж у апаратній FSM. Зауважте, що PicoBlaze може працювати так само швидко, як 240 МГц, за останніми технологічними технологіями FPGA, і що процесор PicoBlaze виконує інструкцію кожні два тактових цикли, тож ви отримуєте швидку, послідовну машину, яка легко програмується в програмному забезпеченні.

3. Розширюючись на (2), вам потрібна державна машина, яка може обробляти переривання. Процесори справді хороші для цього, оскільки вони вже знають, як безпечно зберегти та відновити стан до та після обслуговування переривання.

Ось одне застереження: Якщо ви хочете швидкий процесор зі стандартним набором інструкцій та великою екосистемою розвитку, то вам потрібен швидкий, жорсткий процесор, як два ARM Cortex-A9s у Soil Xilinx Zynq. Тканина FPGA в Zynq SoC все ще дозволяє створювати більше ядер процесора в програмованій логіці, але ARM Cortex-A9s може запускати стандартні операційні системи, такі як Linux та стандартні IDE, такі як Android.

Між ARM Cortex-A9 і PicoBlaze є багато м'яких процесорів, які можна реалізувати за допомогою програмованої логіки, доступної з багатьох джерел. Дехто любить прокручувати власні процесори, і це чудова освітня діяльність. Однак мікропроцесорам потрібні інструменти для розробки програмного забезпечення, а створення / налагодження цих інструментів вимагає наказів більше, ніж створення самого процесора. Ви завжди повинні торгувати можливою перевагою користувальницького мікропроцесора проти часу та зусиль, необхідних для створення / налагодження ядра процесора та інструментів.

Повне розкриття: Я працюю на Xilinx, але я впевнений, що не заявляв, що FPGA завжди є рішенням. Якщо 50-центовий мікроконтролер може виконати цю роботу, вам краще скористатися цим. FPGA та Zynq SoC - це проекти, які потребують важкого підйому поза можливостями мікроконтролерів.

Іноді ви можете використовувати FPGA, оскільки у вас є програмне забезпечення, яке працює на давно застарілому та недоступному фізичному процесорі, який ви хочете відновити. Хоча це не сумісно з штифтами (хоча бачено кріплення в стилі DIP), це дозволяє вам бути точними. Чиста програмна емуляція товарного мікропроцесора навряд чи буде такою. Наприклад, apple2fpga