СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА №7/2012

П ОИСК ОПТИМАЛЬНОГО РЕШЕНИЯ Оптимально, когда системному раз работчику не нужно выбирать один путь вместо другого и он может вы брать наилучший способ реализации для каждой задачи. Некритичные зада ния могли бы быть реализованы про граммным путём и запущены на цент ральномпроцессоре. Критичные с точ ки зрения производительности или потребляемой мощности задания бы ли быопределены стандартами и пото му не изменялись бы и были привяза ны к аппаратуре. Задачи, которые тре буют аппаратной поддержки, но могут быть модифицированы, можно было бы реализовать с помощью програм мируемой логики на FPGA. Ещё совсем недавно это была обще принятая практика. Степень интегра ции была достаточно мала, так что микропроцессоры, ускорители, слож ные контроллеры интерфейса и FPGA были отдельными чипами. Но когда технология кристаллов подошла к 90 нм рубежу, системы на кристалле (СНК) стали включать в себя все эти функции, кроме программируемой матрицы FPGA. И большая часть реше ний по реализации приложения стала приниматься разработчиками СНК, а не системными разработчиками. Раз работчики системымогли обеспечить дифференциацию устройства толь ко путём выбора оптимальной СНК, создавая уникальное программное обеспечение и, по возможности, про думанный интерфейс сопряжения FPGA с СНК. Теперь ситуация снова меняется. Огромное число транзисторов, доступ ных для разработчиков чипа, позволи ло достичь того, что в компании Altera назвали «конвергенцией кремния». В мощные микроконтроллеры были до бавлены специализированные аппа ратные средства, поэтому они стали напоминать ASIC. ASIC и ASSP могут включать в себя мощные 32 разрядные процессоры, поэтому они стали похо дить на микроконтроллеры высокого класса. И FPGA, такие, например, как семейство компании Altera, стали включать в себя как многоядерные процессоры, так и специализирован ные аппаратные блоки, создавая в реальности идеальные условия: воз можность для системного разработчи ка выбирать программное обеспече ние, специализированные аппаратные средства или программируемую ло гику в зависимости от характера реа лизуемой задачи (см. рис. 2). В нашемпримере разработчикимог ли бы использовать такой «конвер гированный» чип, чтобы организо вать запуск системного программно го обеспечения имногопотоковой час ти алгоритма по обработке изображе ний на двух мощных процессорных ядрах. Они могли бы реализовать ос тавшуюся часть алгоритма на комби нации аппаратных DSP ядер и про граммируемой матрицы, которые так же входят в состав чипа. Поскольку растущая стоимость раз работки ограничивает применение ASIC всё меньшим числом приложе ний, тенденция на «конвергенцию кремния» позволяет соединить вместе оставшиеся три системных решения. Микроконтроллеры, ASSP и FPGA ста новятся всё более похожими друг на друга, однако с одним важным исклю чением. По причине технологическо го характера и в силу применения за кона об интеллектуальной собствен ности только FPGA способны предло жить самую современную технологию программируемой логики. Поэтому только FPGA могут всецело поддержи вать стратегию системного разработ чика на дифференциацию устройств вплоть до аппаратного уровня. Б УДУЩЕЕ ДИФФЕРЕНЦИАЦИИ КОНЕЧНЫХ ПРОДУКТОВ «Конвергенция кремния» определит направление развития системной раз работки на следующие несколько лет. С одной стороны, мы увидим, что мик роконтроллеры высшего класса и ASSP образуют основу систем, чья ап паратная часть практически стала стандартным продуктом, а дифферен циация между системами на рынке переместилась в сферу программного обеспечения. С другой стороны, мы увидим аппаратно дифференциро ванные системы на базе FPGA, кото рые будут отличаться от всех осталь ных продуктов. Такое расхождение будет ускорять ся благодаря развитию интегральных 3D схем и гетерогенных систем про граммирования. Технология 3D схем позволит интегрировать совершенно разные технологии – например, FPGA, микропроцессоры, DRAM и радиочас тотные схемы – в виде слоёв кристал лов, что радикально улучшит времен ные параметры и энергопотребление по сравнению с отдельными чипами. Одним из первых примеров развития такой технологии стал процессор Intel ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ 50 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 7 2012 DSP, алгоритм управления, микроконтроллер Прежняя система • Одиночная ось вращения электродвигателя, • Поддержка фиксированного протокола. Первый этап • Одиночная ось врщанеия электродвигателя, • Мультипротокольная поддержка, • 480 MIPS при потребляемой мощности 3,2 Вт. Второй этап • Поддержка 3 электродвигателей и устройства защиты, • 1500 MIPS при потребляемой мощности 2 Вт, • Снижение на 50 % стоимости комплектующих на один двигатель, • Ёмкость FPGA увеличена на 1,5...2 раза. Память ASIC для шины Profibus Память Расширение ввода/вывода Электродвигатель FPGA FPGA АЦП АЦП PHY DSP, алгоритм управления, микроконтроллер Память ARM- процессор Интерфейс кодера DSP IP-блок защиты Промышленный Ethernet FPGA Расширение ввода/вывода Промышленный Ethernet Память Память Электродвигатель Электродвигатели АЦП АЦП АЦП Устройство защиты АЦП PHY PHY Рис. 2. Применение FPGA для реализации энергоэффективных электроприводов На правах рекламы ' СТА - ПРЕСС