3.1 Intel Cyclone SoC FPGA介紹

3.1.1 SoC FPGA的基本概念

Intel Cyclone V SoC FPGA是Intel PSG（原Altera）於2013年發布的一款在單一芯片上集成了雙核的ARM Cortex-A9處理器和FPGA邏輯資源的新型SoC芯片，相較於傳統的單一ARM處理器或FPGA芯片，Intel Cyclone V SoC FPGA既擁有了ARM處理器靈活高效的數據運算和事務處理能力，同時又集成了FPGA的高速並行處理優勢，同時，基於兩者獨特的片上互聯結構，使用時可以將FPGA上的通用邏輯資源經過配置，映射為ARM處理器的一個或多個具有特定功能的外設，通過高達128位寬的AXI高速總線進行通信，完成數據和控制命令的交互。由於片上的ARM處理器是經過布局布線的硬線邏輯，因此其能工作的時鐘主頻較高，因此單位時間內能夠執行的指令也更多。

3.1.2 SOPC的基本概念

在SoC FPGA技術推出之前，各大FPGA廠家已經推廣了有多年的SOPC技術。和SoC FPGA不相同的是，SOPC是在單純的FPGA芯片上使用FPGA的邏輯和存儲器資源搭建一個軟核CPU系統，由該軟核CPU實現所需處理器的完整功能。由於是使用FPGA的通用邏輯搭建的CPU，因此具有一定的靈活性，用戶可以根據自己的需求對CPU進行定制裁剪，增加一些專用功能，例如除法或浮點運算單元，用於提升CPU在某些專用運算方面的性能，或者刪除一些在系統裏面使用不到的功能，以節約邏輯資源。另外也可以根據用戶的實際需求，為CPU添加各種標準或定制的外設，例如UART，SPI，IIC等標準接口外設，同時，用戶也可以自己使用FPGA的邏輯資源，編寫各種專用的外設，然後連接到CPU總線上，由CPU進行控制，以實現軟硬件的協同工作，在保證系統性能的同時，增加了系統的靈活性。而且，如果單個的軟核CPU無法滿足用戶需求，可以添加多個CPU軟核，搭建多核系統，通過多核CPU協同工作，讓系統擁有更加靈活便捷的控制能力。

但是，由於CPU是使用FPGA的通用邏輯資源搭建的，相較使用經過布局布線優化的硬核處理器來說，軟核處理器夠運行的最高實時鐘主頻要低一些，而且也會相應的消耗較多的FPGA邏輯資源以及片上存儲器資源，因此SOPC方案僅適用於對於數處理器整體性能要求不高的應用，例如整個系統的初始化配置，人機交互，多個功能模塊間的協調控制等功能。

3.1.3 SOPC與SoC FPGA之間的差異

從架構的角度來說，SOPC和SOPC FPGA是統一的，都是由FPGA部分和處理器部分組成。在SoC FPGA 中，嵌入的是ARM公司的Cortex-A9硬核處理器，簡稱HPS(Hardware Processor System)，而SOPC技術中，嵌入的是NIOS II 軟核處理器，兩者指令集不一樣，處理器性能也不一樣。Cortex-A9硬核處理器性能遠遠高於NIOS II 軟核處理器。

Cyclone V SoC FPGA 片上的HPS部分，不僅集成了有雙核的Cortex-A9硬核處理器，還集成了各種高性能外設，如MMU、DDR3控制器、Nand FLASH控制器等，有這些外設，HPS部分就可以運行成熟的Linux操作系統，提供統一的系統API，降低開發者的軟件開發難度。而NIOS II軟核CPU雖然可以通過配置，用邏輯資源來搭建相應的控制器以支持相應功能，但是從性能和開發難度上來說，基於SoC FPGA架構進行設計開發是比較好的選擇。

另外，雖然SoC FPGA芯片上既包含了有ARM，又包含了有FPGA，但是兩

者一定程度上是相互獨立的，SoC芯片上的ARM處理器核並非是包含於FPGA邏輯單元內部的，FPGA和ARM（HPS）處理器只是封裝到同一個芯片中，JTAG接口、電源引腳和外設的接口引腳都是獨立的，因此，如果使用SoC FPGA芯片進行設計，即使不使用到片上的ARM處理器，ARM處理器部分占用的芯片資源也無法釋放出來，不能用作通用的FPGA資源。而SOPC則是使用FPGA通用邏輯和存儲器資源搭建的CPU，當不使用CPU時，CPU部分占用的資源可以被釋放，重新用作通用FPGA資源。

Intel Cyclone SoC FPGA介紹