主要FPGA供應(yīng)商已經(jīng)開始銷售集成了硬核處理器內(nèi)核的低成本FPGA器件,，SoC類FPGA器件最終會成為主流,。為能夠充分發(fā)揮所有重要FPGA的靈活性,，這些器件提供了FPGA設(shè)計人員和軟件工程師還不熟悉的新特性,。設(shè)計人員需要考慮怎樣在FPGA和處理器之間初始化這些資源并進(jìn)行分配,，管理復(fù)雜的連接,，以及處理器外設(shè)的各種設(shè)置,。
　　I/O限制
　　您可能會說,，“I/O有什么問題,？FPGA有很多I/O!”然而，F(xiàn)PGA現(xiàn)在采用了功能強大的雙核Cortex-A9處理器,，需要高性能存儲器系統(tǒng),。如果您不需要處理器，您不用購買器件,，因此,，連接DDR2/3存儲器來提高性能是最重要的。這需要72個專用引腳。這里不僅有功能強大的處理器,，而且還有多種有用的標(biāo)準(zhǔn)外設(shè)(例如USB,、以太網(wǎng)等)—這就需要更多的引腳。增加一系列電源和地引腳以實現(xiàn)良好的信號完整性,，這會使得以前足夠用的BGA引腳開始顯得捉襟見肘,。對于硬件外設(shè)，好在這些器件具有復(fù)用功能,，因此,，您可以簡單地選擇并引出您需要的外設(shè)。
　　引腳配置
　　對FPGA器件進(jìn)行編程的比特流含有怎樣配置I/O引腳的信息,。實際上,，SoC FPGA器件的工作方式相似，但是有兩種不同的引腳配置過程—一種用于FPGA I/O,，一種用于處理器專用I/O(這也包括配置硬件外設(shè)復(fù)用,、I/O引腳和DDR控制器設(shè)置)，如圖1,。之所以需要DDR控制器設(shè)置,，是因為需要為某些器件和電路板布局調(diào)整高性能存儲器控制器，以實現(xiàn)最優(yōu)存儲器性能,。在FPGA硬件開發(fā)工具中進(jìn)行處理器專用I/O和存儲器控制器設(shè)置,，其方式與FPGA引腳相似。如果您不對FPGA進(jìn)行編程,，所有這些配置數(shù)據(jù)是怎樣進(jìn)入器件中的呢?

　　　圖1,，Altera SoC FPGA系統(tǒng)，顯示了專用處理器和FPGA I/O引腳(右側(cè))
　　處理器啟動
　　低成本微控制器簡化了從片內(nèi)ROM的啟動,，而高端處理器從外部ROM(例如x86 BIOS)啟動,，然后，裝入第二個啟動加載程序,。與微控制器相似,，SoC FPGA器件有硬線片內(nèi)啟動ROM，含有啟動處理器的啟動代碼,，但是這些代碼也配置I/O引腳,，這些引腳用于從FPGA、閃存或者SD卡中讀取數(shù)據(jù),。這樣,，系統(tǒng)將第二個啟動加載程序鏡像裝入片內(nèi)RAM。
　　第二個啟動加載程序二進(jìn)制代碼和專用I/O引腳配置設(shè)置內(nèi)置在一個鏡像文件中,，這一鏡像也含有FPGA配置數(shù)據(jù),、處理器軟件(操作系統(tǒng)(OS)啟動加載程序,、OS以及應(yīng)用軟件)。這一鏡像文件存儲在介質(zhì)中,，成為處理器的啟動源,。當(dāng)處理器從片內(nèi)ROM啟動時，它讀取外部引腳的狀態(tài),，選擇啟動源,，將第二個啟動加載程序裝入片內(nèi)RAM，然后運行它,。這些代碼設(shè)置處理器,，配置外部存儲器控制器和專用外設(shè)I/O引腳，允許用戶應(yīng)用程序代碼(可以是OS的啟動加載程序)從啟動源裝入到DDR存儲器中,。在這一階段,，配置處理器和所有處理器專用I/O—因此，OS啟動加載程序(例如U-Boot)甚至可以通過外設(shè)(例如通過以太網(wǎng))來裝入OS二進(jìn)制代碼,。
　

　　圖2,，典型的SoC FPGA啟動過程
　　軟外設(shè)
　　最后，我們有經(jīng)過全面配置的芯片,，可以啟動OS或者應(yīng)用程序—而有可能還沒有配置FPGA。OS/應(yīng)用程序一般會在啟動時初始化所有外設(shè),，但是在這一例子中,，可能還沒有外設(shè)！一種簡單的方法是,，在出現(xiàn)這種情況之前對FPGA進(jìn)行配置,，但是，如果您需要軟件從一組不同的配置中進(jìn)行選擇,，會怎樣呢,？您甚至可能希望隨時重新配置FPGA，改變外設(shè),。
　　開發(fā)基于FPGA的外設(shè)系統(tǒng)相對簡單,，F(xiàn)PGA供應(yīng)商提供IP庫以及基于GUI的設(shè)計工具，使您很容易連接外設(shè)IP和硬核處理器,。對此,，設(shè)計流程與使用Nios II處理器等軟核CPU的流程完全相同。一般不能修改硬核處理器系統(tǒng)的特性,，您需要做的是在基于GUI的工具中配置專用引腳復(fù)用功能,，連接外設(shè)IP。
　　FPGA設(shè)計工具以頭文件的形式實現(xiàn)了軟件開發(fā)工具鏈的所有硬件相關(guān)數(shù)據(jù)(基本地址等),，這一頭文件可以用于生成預(yù)構(gòu)建應(yīng)用程序,，從而匹配每一FPGA配置和外設(shè),。但是，如果您使用OS,，這可能帶來問題,，理想情況下，您需要外設(shè)驅(qū)動軟件應(yīng)用程序,。
　　好在大部分OS支持動態(tài)驅(qū)動裝入和卸載,，因此，可以讀取外設(shè),，讓OS裝入相應(yīng)的驅(qū)動,。如果您重新配置FPGA，只需要卸載驅(qū)動,，然后重新裝入含有新配置的驅(qū)動,。這看起來是一項很難的工作，但是,，大部分OS支持這樣做,，Linux甚至提供一種名為器件樹的功能，實際專門用于在Linux文件系統(tǒng)中存儲外設(shè)相關(guān)數(shù)據(jù),。每一FPGA配置會有一個匹配器件樹文件,，因此，對于Linux,，您需要做的是,，裝入正確的器件樹，Linux就會裝入正確的驅(qū)動,。圖2是一個典型的SoC FPGA啟動過程,。
　　結(jié)論
　　由于處理器和FPGA緊密集成到一個器件中，與標(biāo)準(zhǔn)FPGA相比,，開發(fā)這些新器件會稍微復(fù)雜一些,，而SoCFPGA器件供應(yīng)商提供支持工具流和機制，管理所需的功能要相對簡單—即使您以前從未使用過FPGA中的處理器,。