СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №7/2012

ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ имеющими доступ к этим аппаратным средствам. А ППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА КАК РЕШЕНИЕ Противоположный подход к проек тированию системы заключается в разработке аппаратных средств на ба зе системных требований и параллель ном создании программного обеспе чения, которое должно быть запуще но на этой аппаратуре. Именно таким способом разрабатывают специализи рованные интегральные схемы (ASIC). Вначале системный архитектор опре деляет, какие потребуются процессо ры, ускорители, память, контроллеры, и передаёт эти требования группе раз работчиков чипа, которые приступа ют к проектированию ASIC. В нашем примере системный архи тектор мог бы выбрать пару ARM ядер для запуска программного обеспече ния, получить лицензиюна процессор обработки изображений от сторонне го производителя для решения задач предварительной обработки изобра жений и разработать специализиро ванный микропрограммныйDSP кон вейер для реализации сложных алго ритмов. В процессе проектирования интегральной схемы группа разработ чиков программного обеспечения бу дет вынуждена иметь дело с тремя на борами программных инструментов разработки и отладки для трёх совер шенно разных подсистем. Аппаратно ориентированный под ход имеет серьёзные преимущества. Он способен обеспечить максималь ное быстродействие системы и макси мальную энергоэффективность для любой технологии. Но он требует опытной команды разработчиков ин тегральных схем и – при переходе на новый технологический процесс – значительных инвестиций. Кроме то го, после завершения разработки ASIC внесение изменений в аппаратные средства, коррекция ошибок и модер низация при изменении требований к системе будут затруднены, связаны с большими затратами и потребуют много времени. Решение проблемы программным путём может сэконо мить день, но только лишь в ущерб ско рости и потребляемой мощности, что делает подход на основе ASIC доста точно привлекательным. Таким образом, аппаратно ориенти рованный подход, по идее, является наилучшим выбором для проектов, требующих наивысшей производи тельности и минимального энерго потребления. Однако на практике раз работчики создают ASIC только в том случае, когда ожидается их крупно серийное производство, что может оправдать затраты и риск, или если из вестно, что требования к аппаратным средствам, вероятнее всего, не претер пят изменений в процессе эксплуата ции продукта. В реальных условиях команды разработчиков, столкнувши еся с критичными проблемами в про екте, часто обращаются к подходу на основе ASIC или приобретают ASSP, ко торые приблизительно отвечают тре бованиям системной ИС, которую они не в состоянии спроектировать само стоятельно. Т РЕТИЙ ПУТЬ FPGA предлагают системным раз работчикам третий путь. Во многих отношениях FPGA являются средним вариантом реализации системы меж ду программно ориентированным подходом на базе процессора и аппа ратно ориентированной альтерна тивой на базе ASIC. Алгоритм, реали зованный на FPGA, не так просто мо дифицировать, как в программе, но изменение конфигурации FPGA нам ного проще, чем выпуск новой вер сии ASIC, даже если изменения каса ются всего нескольких слоёв метал лизации. С другой стороны, задание на FPGA может выполняться намно го быстрее и потреблять намного меньше мощности, чем то же самое задание, реализованное программ ным способом. Но версия на FPGA, как правило, работает медленнее и потребляет больше мощности, чем эквивалентная ASIC. Вследствие этого системные разра ботчики обращаются к FPGA, когда исключительно программное решение не способно обеспечить требования по быстродействию и потребляемой мощности, либо когда нет возможнос ти найти ASSP с подходящими функ циями, либо когда ограниченный бюд жет, малый предполагаемый объём вы пуска или вероятность внесения изменений исключают применение ASIC. По счастью для поставщиков FPGA, данная ситуация возникает до статочно часто, так что в последние го ды продажи FPGA растут более быст рыми темпами, чем альтернативные варианты (см. рис. 1). В примере с системой видеонаблю дения разработчики могли бы найти оптимальную комбинацию, состоя щуюиз стандартного микропроцессо ра, на котором запущено системное программное обеспечение, FPGA, на которой реализован стандартный IP блок обработки изображений, и спе циализированного DSP конвейера для сложных вычислений. Таким образом, проект на FPGA напоминал бы проект на ASIC на уровне функциональных блоков, хотя реализация может быть совершенно другой на вентильном уровне. 49 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2012 На правах рекламы Логика Более 50 тысяч логических элементов Замена связующей логики • Широкий рынок + Замена ASIC, DSP, ASSP • Коммуникационная инфраструктура • Военная, испытательная и медицинская техника + Замена микропроцессора • Высокопроизводительные вычисления • Системы хранения • Электроприводы • Автомобильные системы Более 500 тысяч логических элементов Более 1 млн логических элементов R A M Логика R A M X C V R DSP ALM PPT ФАПЧ ФАПЧ Инт. внешней памяти Инт. внешней памяти Логика R A M X C V R X C V R 2 8 G DSP EHB Mem Cntl Аппаратный процессор FP DSP PCS ALM PPT ФАПЧ ФАПЧ 1990 Рынок ПЛУ, млрд. $ 5 4 3 2 1 2000 2010 Годы Рис. 1. Развитие архитектуры FPGA и продажи программируемых логических устройств ' СТА - ПРЕСС