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Immerhin eine Marktentwicklung bringt den Designern derzeit
Vorteile: ARM-Prozessoren etablieren sich als dominante Plattform
für Embedded-Systeme. Noch vor ein paar Jahren war der
Prozessormarkt hochgradig fragmentiert. Power-PC-, RISC-,
MIPS- und Sharc-Prozessoren haben miteinander konkurriert und
um eine breite Marktakzeptanz gewetteifert. Mittlerweile ist der
Markt gerei� und viele Kunden setzen in Embedded-Anwendungen
auf ARM als de-facto-Standard. Das hat zur Folge, dass immer
mehr ARM-basierende Lösungen auf dem Markt zu � nden sind,
angefangen bei Standard-Produkten, über So� -ARM-IP-Cores, bis
hin zu Hard-IPs für die Implementierung in programmierbarer
Logik und in ASICs.
MCU, ASIC und FPGA: Grenzen und Chancen
Trotz aller Vielfalt können gängige Implementierung von Embedded-Systemen
die Anforderungen moderner Designs o� nicht
erfüllen. So wären Multichip-Lösungen zwar relativ einfach umzusetzen,
aber sie kosten viel, es mangelt an Flexibilität und sie erfüllen
nicht die Anforderungen an Performance und Leistungsaufnahme.
Im Gegenzug sind ASIC-SoCs mit integrierten festverdrahteten
ARM-Cores zwar optimiert, stromsparend und performant,
aber durch den enormen Entwicklungsaufwand dauert es
lange, sie auf den Markt zu bringen. Außerdem sind sie un� exibel
und für die große Mehrheit an Applikationen deutlich zu kostspielig.
Um konkurrenzfähig zu bleiben, brauchen Entwickler von
Embedded-Systemen daher eine andere Möglichkeit, um hochgradig
di� erenzierte Produkte viel � exibler und e� zienter entwickeln
zu können: Zum Beispiel ein FPGA.
Eine Implementierung auf einem einzelnen FPGA punktet mit
niedrigen Kosten und schnellem Time-to-Market. Sie stellt daher
eine attraktive Alternative zu Multichip- und ASIC-SoC-Ansätzen
dar. Und tatsächlich hat sich in der letzten Dekade gezeigt, dass
Entwickler immer mehr Embedded-Prozessoren in FPGAs nutzen
(Bild 1). Aber nicht alle FPGA-basierenden Lösungen eignen sich,
um den heutigen strengen Anforderungen zu genügen. Traditionell
wurden ARM-Systeme auf einem FPGA als HDL-basierende
So� -ARM-Cores implementiert. Dieser Ansatz ist eine gute Möglichkeit
für Systeme, die keine großen Einschränkungen bezüglich
Dichte, Leistungsaufnahme oder Performance aufweisen. Geht es
aber um Systeme, die einem höheren Konkurrenzdruck unterliegen,
reicht dieser Ansatz nicht aus – sie brauchen einen Prozessor-
Kern in Hardware. Für eine wachsende Anzahl von Systemen bietet
deshalb ein hochgradig optimierter, festverdrahteter ARM-Core
auf einer FPGA-Plattform die optimale Lösung.
Dank der jüngsten Fortschritte in der FPGA-Technologie bieten
Unternehmen wie Altera mittlerweile diese neuartigen SoC-Bau-
Auf einen Blick
Mikrocontroller
Coverstory
Bild 1: Entwickler setzen
in FPGAs immer häufi ger
CPU-Cores ein: Der Anteil an
FPGAs mit Embedded-Prozessoren
steigt daher.Die Analysten
von Gartner erwarten, dass sich
dieser Trend in den kommenden
Jahre fortsetzt.
steine an (Bild 2). Diese Komponenten erö� nen ungeahnte Möglichkeiten
für Embedded-Systeme mit höchsten Anforderungen.
Die ARM-basierenden SoC-FPGAs kombinieren einen festverdrahteten
ARM-Prozessor, Speicher-Controller, Peripheriefunktionen
und eine kundenspezi� sch veränderbare FPGA-Fabric auf
einem gemeinsamen SoC. Das ARM-basierende SoC-FPGA von
Altera verknüp� ein hochgradig optimiertes, festverdrahtetes Prozessorsystem
(HPS, Hard Processor System) mit einem On-Chip-
FPGA (Bild 3). Das HPS besteht aus einem Dual-Core-ARM-Prozessor,
einem Memory-Controller mit mehreren Ports und einer
Vielzahl von Peripherieelementen. Es kommt bei einer Leistungsaufnahme
von weniger als 1,8 W auf eine Rechenleistung von bis
zu 4000 MIPS (Dhrystone-2.1-Benchmark).
Wer in seinem Design einen Prozessorkern benötigt, hat von
den Hard-IP-Blöcken viele Vorteile: Sie glänzen mit hoher Performance
bei gleichzeitig niedriger Leistungsaufnahme und geringen
Kosten und sie halten die FPGA-Logik-Ressourcen für die Produktdi�
erenzierung frei. Der Entwickler kann die integrierte Fabric
nach seinen Vorstellungen nutzen, um seine applikationsspezi-
� sche Logik zu implementieren. Die Programmierbarkeit wiederum
bringt die Flexibilität, um die Designs an neue oder sich verändernde
Kommunikationsstandards oder Netzwerkprotokolle
anzupassen oder ein Leistungstuning (Stichwort: Hardware-Beschleuniger)
durchzuführen.
Applikationsbeispiel: Antrieb der nächsten Generation
In einem konventionellen Antriebsdesign (Bild 4a) übernimmt ein
digitaler Signalprozessor (DSP) die zentralen Steuerungsfunktionen,
ein Networking-ASIC kümmert sich um die Netzwerkprotokolle
und ein FPGA steuert weitere Funktionen (in diesem Beispiel
die I/O-Erweiterung). In einer SoC-FPGA-Implementierung sind
diese Elemente alle auf einem einzigen Chip integriert (Bild 4b).
Die SoC-FPGA-Implementierung erweitert sogar die Funktionalität,
denn mit ihr lassen sich mehrere Motoren ansteuern und eine
Optimiert und dennoch fl exibel
Für Embedded-Anwendungen sind FPGA-basierende SoCs attraktiv.
Dank ihrer umfassenden Möglichkeiten können Entwickler nicht nur
aktuellen Design-Problemen begegnen: sie erhalten auch enorme
Vorteile bei der Time-to-Market, beim Preis/Leistungsverhältnis, bei
der Produktdifferenzierung und bei der Langlebigkeit ihrer Systeme.
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www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 01 / 2012 9
Bilder: Altera