自從商業上可行的 FPGA 出現以來，嵌入式設計人員就已經實現了異構架構。最初，FPGA 主要用作處理系統、外設和 I/O 之間接口的粘合邏輯。但隨著 FPGA 技術的改進，市場擴大到在嵌入式系統中發揮更大和更核心的作用。異構計算的最新趨勢是將處理器和 FPGA 子系統集成到單個 SoC 中。以處理器和軟件為中心的設計團隊現在可以在這些復雜的 SoC 上利用這兩個系統。

異構計算架構

系統設計人員被嵌入式系統的處理器和 FPGA 組合所吸引，因為它們在標準設計模板中提供了靈活性和性能。系統中的處理器提供了廣泛的標準外設接口，如以太網、串口、USB、CAN、SPI和內存。在僅處理器方法中，應用程序 I/O 通常通過 SPI 或 USB 連接。為處理器開發軟件已廣為人知且易于管理。

在處理器和專用 I/O 之間放置 FPGA 可提高系統的靈活性和處理能力，并增加硬件驅動操作的可靠性和確定性。FPGA 不受操作系統或其他軟件開銷的影響，這會降低性能并降低可靠性。由于 FPGA 是可重新配置的門陣列邏輯電路矩陣，其硬件可以重新編程以執行無數功能，包括信號處理、自定義定時和觸發，以及極其先進的確定性控制。可重新編程有助于硬件升級和產品差異化，從而在不斷發展的接口和標準中延長產品壽命。

除了這些優勢之外，處理器加 FPGA 的組合還帶來了一些挑戰：

FPGA 的功耗

將單獨的 FPGA 集成到 PCB 設計中的尺寸、成本和復雜性

與處理器上的軟件開發相比，與 FPGA 硬件設計相關的編程。

FPGA 供應商正在通過 SoC 解決其中的許多挑戰，SoC 集成了處理器和 FPGA，并確保兩者之間的連接。Xilinx Zynq All Programmable SoC 是一個將 ARM Cortex-A9 CPU 與 FPGA 邏輯集成的示例。Cypress Semiconductor PSoC(可編程 SoC)和 Microsemi SmartFusion cSoC(可定制 SoC)將 ARM Cortex-M3 CPU 與可編程邏輯和可編程模擬接口集成在一起。這些產品降低了集成 FPGA 的尺寸、成本和功耗。

圖 1：SoC 相對于 DSP 或 ASIC 的優勢——基于每芯片的 MAC、每 W 的 MAC 和每美元的 MAC。

軟件編程和硬件描述語言

將 FPGA 子系統集成到處理器 SoC 通常會使 PCB 設計更加容易。然而，對這兩個系統進行編程仍然很困難。通常，硬件描述語言 (HDL)，如 VHDL 或 Verilog，是利用 FPGA 所必需的。精通 C/C++ 等語言的系統設計人員庫非常豐富，而 HDL 專家只占嵌入式系統工程師勞動力的一小部分。

可編程邏輯工具已經發展到更好地適應嵌入式軟件工程師的技能。具有 FPGA 架構的 FPGA 和 SoC 可供領域和 VHDL 專家在工業應用中使用。FPGA 供應商正在大力投資工具和合作伙伴，以更好地協調處理器和 FPGA 架構之間的開發實踐。高級綜合 (HLS) 工具，例如 LabVIEW FPGA 模塊、Vivado HLS 或 SystemC，可縮小軟件和數字域之間的代碼開發差距。

一個示例工具是 LabVIEW，它自 2003 年以來就具有一個插件模塊，該模塊針對用于 National Instruments 基于 FPGA 的硬件中的 Xilinx FPGA。該工具將處理器和 FPGA 邏輯的開發抽象為相同的語言和控制循環，這可以比以前使用基于處理器的系統更快地創建。單個系統設計人員可以掌握軟件和 FPGA 開發領域，這通常需要兩名或多名具有獨特技能的工程師。他們可以利用內置語言結構來管理時鐘/時序、內存 I/O 和數據傳輸(例如，直接內存訪問)，以及周期精確的仿真和調試功能、云編譯支持以提高生產力，以及支持 HDL 集成。一個算法，寫一次，

通過提高集成度來縮短上市時間

使用傳統方法，將 I/O 集成到 FPGA 中通常很耗時。許多高級綜合工具無法替代整個 HDL 工具鏈，因為從 FPGA 架構到現實世界的 I/O 接口仍然必須使用 HDL 實現。來自 HDL 設計團隊的軼事表明，I/O 集成通常需要 70% 以上的時間專門用于設計，而只有 30% 或更少的時間用于通過控制算法或信號處理來增加差異化價值。

LabVIEW 軟件和基于 FPGA 的硬件的緊密集成帶來了解放——團隊可以提升集成水平，不再為完全定制設計的細節所累。他們可以花更多的時間專注于增加自己的價值和差異化，而不是花在構建操作系統、開發中間件驅動程序或調試 PCB 設計信號完整性問題上。
?