Расширяемая вычислительная платформа Pele — новая архитектура компании Xilinx

Введение

В течение последних десяти лет многие
производители ПЛИС неоднократно пытались создавать системы на кристалле (System
on Chip, SoC), подобные перспективным
системам на архитектуре EPP Pele от Xilinx
(рис. 1). К сожалению, до настоящего времени существовали объективные технологические трудности создания подобных
устройств, такие как высокое энергопотребление и низкая скорость обмена между логическими схемами и процессорным ядром,
сложности проектирования, а также высокая
стоимость таких устройств. Все это делало
современные SoC неконкурентоспособными не только для массовых рынков, но и для
специфических приложений.

Рис. 1. Архитектура EPP Pele от Xilinx

Преимущества новой технологии EPP Pele
в том, что для разработки сложной электроники с оптимальными параметрами больше не требуется глубоких знаний в области
ПЛИС: достаточно освоить специализированное программное обеспечение Xilinx,
которому компания уделяет огромное внимание, постоянно его обновляя и совершенствуя. Новая высокоскоростная шина AMBAAdvanced
Extensible Interface (AXI) между
процессором и ПЛИС позволит обеспечить
мультигигабитную скорость передачи данных
с низким энергопотреблением, что устранит
технологические проблемы обеспечения скоростных коммуникаций внутри кристалла.
Использование ARM-процессора для реализации пользовательских функций позволит
адаптировать вычислительные возможности
ПЛИС для задач любой степени сложности,
а внутренняя архитектура — перераспределить функции между процессором и аппаратной логической частью по желанию разработчика.

Причины появления концепции
Extensible Processing Platform Pele

За последнее десятилетие все большее
число разработчиков встроенных систем
осваивают язык проектирования аппаратных средств ПЛИС. И хотя в последнее время
число этих разработчиков медленно, но тем
не менее устойчиво растет, большинство
проектировщиков все еще остаются приверженцами традиционных способов разработки, ограничиваясь применением аппаратных средств для достижения оптимального
сочетания производительности, функциональных возможностей, энергопотребления
и стоимости аппаратуры. Таким образом,
первая причина появления на свет новой архитектуры Xilinx — это стремление расширить сообщество инженеров ПЛИС.

Вторая причина возникновения EPP
Pele — ориентация производителей микроконтроллеров на массовые рынки и сокращение ассортимента выпускаемых моделей, что
подтверждается исследованиями рынков.

В 1965 году Гордон Мур на основе эмпирических данных сделал заключение о том, что
количество транзисторов на фиксированном
кристалле будет удваиваться каждые 2 года.
Эта пропорция оптимальна для обеспечения
растущего уровня спроса на электронные
устройства. Соответственно, количество инвестиций в новые технологические процессы должно также увеличиваться, что было
показано в отчетах компании International
Business Strategies, Inc. (рис. 2).

Рис. 2. Инвестиции в технологии уменьшения размера транзистора

Поэтому логично предположить, что крупные полупроводниковые компании будут,
во‑первых, ориентироваться исключительно
на массовые рынки сбыта, чтобы поддержать
норму прибыли, а во‑вторых, стремиться сократить количество выпускаемых моделей,
чтобы снизить издержки. На рис. 3 видно,
что запуск новых моделей микроконтроллеров линейно сокращается с каждым годом.

Рис. 3. Запуск новых микроконтроллеров

Таким образом, уже в ближайшем будущем процессорные решения будут адаптированы только для изделий, выпускаемых
в массовых объемах, и не смогут обеспечивать достаточную гибкость для создания решений, обладающих уникальными свойствами, а значит, и уникальными конкурентными преимуществами. Такие решения будут
создаваться средствами ПЛИС.

Выбор процессора

В поисках партнера компания Xilinx остановила свой выбор на широко известной
компании ARM Ltd., завоевавшей отличную
репутацию благодаря высокому качеству
выпускаемых ею IP-процессоров и программного обеспечения. Архитектура ARM Cortex
уже стала оптимальным выбором для разработчиков, которым необходимы быстродействующие и экономичные микропроцессорные ядра. По всем параметрам — функциональным возможностям аппаратуры
и программного обеспечения, производительности, экономичности и дружественному интерфейсу — ARM Cortex оказались лучшим выбором для новой архитектуры EPP
Pele от Xilinx.

Компания ARM также дополнила четвертую версию спецификации AMBA (Advanced
Microcontroller Bus Architecture) интерфейсом
AXI (Advanced Extensible Interface), оптимизировав его для использования совместно
с ПЛИС. Напомним, что предыдущие интерфейсы спецификации AMBA — APB и AHB —
были оптимизированы для использования
только в микроконтроллерах. AXI позволит
разработчикам увеличить скорость обмена
данными между компонентами системы.

В качестве основного процессора компания Xilinx выбрала 32‑разрядный процессор
ARM Cortex-A9 с тактовой частотой 800 МГц
(рис. 1). В рамках новой архитектуры подсистема процессора будет самозагружаемой,
ее программирование будет осуществляться
с помощью готового пакета программ. В отличие от предыдущей архитектуры на основе
PowerPC, в которой загрузка ПЛИС выполняется до загрузки процессора, новая платформа в наибольшей степени соответствует
принятому в большинстве случаев порядку
проектирования системы.

Используя опыт примененияра —
нее разработанных устройств, таких как
PowerPC на базе ПЛИС FPGA Virtex-II Pro,
Virtex-4 и Virtex-5 FXT, в архитектуру нового
устройства Xilinx будут заложены широкие
возможности. Если в других устройствах для
выполнения функций использовались только аппаратные средства, то в новой платформе обработка сигналов может выполняться
как логическими блоками, так и процессором. Более того, новая архитектура позволит
проектировщикам распределить имеющиеся
аппаратные и программные средства в зависимости от предъявляемых к системе требований. С помощью архитектуры EPP Pele
разработчики смогут реализовывать новые
функции, проектируя собственные специализированные подсистемы, отличающиеся
высокой степенью оптимизации.

Среда программирования

Поскольку в новой архитектуре загрузка
процессора будет выполняться в первую очередь, разработчик программного обеспечения сможет программировать устройство одновременно с разработкой аппаратной части,
сокращая тем самым цикл проектирования
конечного изделия.

Процессор будет иметь постоянный набор периферийных устройств, коммутаторов
и интерфейсов памяти, благодаря чему разработчики будут обеспечены единообразной
средой программирования. Для получения
результата они могут начать с использования
имеющихся инструментов ARM из доступных аппаратных средств.

Однако неоспоримое преимущество предлагаемой архитектуры заключается в возможности разделения функций между процессором и программируемым логическим
блоком расширения.

Теперь не только разработчик аппаратных
средств, но и программист сможет определять
алгоритм работы устройства, ориентируясь
на возможности процессора. Например, для
выполнения периферийных функций процессор может использовать данные, находящиеся в блоке расширения, либо передать
управление этому блоку. Одни разработчики будут, возможно, сравнивать аппаратный
и программный способы реализации функции по таким параметрам, как скорость выполнения, энергопотребление и стоимость
изделий. Другие загрузят программу реализации функции без изменений в программируемые логические блоки, облегчив процессору выполнение других функций.

Как только будет принято решение о том,
какие функции будут реализованы аппаратным, а какие — программным способом,
разработчики аппаратных средств, используя
набор для проектирования Xilinx ISE, смогут реализовать эти функции со стандартным интерфейсом AMBA-AXI в программируемом логическом блоке расширения.
Одновременно с программированием блока
расширения может продолжаться создание
программы для процессора.

Хотя архитектура, предполагающая первоочередное программирование процессора,
уникальна и в большей степени соответствует стилю работы программистов, компания Xilinx планирует внести в нее ряд усовершенствований. В настоящее время компания
вместе с партнерами разрабатывает широкий набор акселераторов и периферийных
устройств, а также соответствующих драйверов и интерфейсов прикладных программ,
которые позволят программистам и системным инженерам расширить функциональность своих проектов. Некоторые из этих дополнений будут готовы к моменту выпуска
продукта, что даст возможность пользователям создавать собственные IP-продукты.

Немного позже после выхода первых
устройств на архитектуре EPP Pele фирма Xilinx выпустит компиляторы с языка
С на язык программирования ПЛИС, что,
в конечном счете, упростит перемещение
функций из программной среды в аппаратную и наоборот. Кроме того, компания планирует адаптировать набор программных
инструментов: интегрированную среду разработки на базе Eclipse, компилятор на базе
GNU, отладчик и драйверы для встроенного
процессорного ядра ARM. Компания Xilinx
работает в тесном сотрудничестве с независимыми фирмами, стимулируя разработку
программных пакетов, ориентированных
ими на новую архитектуру (операционных
систем, средств разработки), для оказания
помощи использующим ее инженерам.

Концепция
Targeted Design Platform

Как и ранее, Xilinx будет поддерживать
свою традиционную концепцию вывода
на рынок новых продуктов — Targeted Design
Platform (TDP), представленную на рис. 4. Уже
в 2011 году появится первый базовый уровень
(Base Platform), на котором будет открыт доступ к документации, а также опытные образцы, программная среда разработки и отладочные комплекты общего назначения.

Рис. 4. Концепция вывода на рынок новых
семейств Xilinx Targeted Design Platform

Появление второго уровня (Domain-Specific) намечено на 2011–2012 годы. На втором этапе компания Xilinx, а также ее многочисленные партнеры смогут предложить
готовые решения — специализированные
логические блоки (IP-Core), которые могут
существенно сэкономить время разработки
конечного устройства.

Третий уровень (Market-Specific), запланированный на 2012 год, предполагает разработку специализированных отладочных
плат, являющихся законченными решениями для определенных сегментов рынка. Судя
по концепции TDP, покупателю третьего
уровня необходимо затратить минимальные
усилия для создания законченного приложения (четвертый уровень), чтобы выйти
на рынок.

Ориентация на нишевые рынки

Очевидно, что новая архитектура EPP Pele
направлена прежде всего на нишевые рынки.
По предположению Xilinx, новые устройства
дадут ощутимые преимущества производителям, разрабатывающим специализированную продукцию.

Получить существенную выгоду от использования новой архитектуры смогут производители систем индустриального видео
(«интеллектуальные» видеокамеры, в том
числе Web-камеры наблюдения и системы
машинного зрения, цифровые видеомагнитофоны, медицинская диагностическая
аппаратура, студийные телекамеры и преоразователи, а также системы ночного видения), систем промышленной автоматизации
и безопасности (PLC, системы управления
двигателями), систем телекоммуникаций
(маршрутизаторы, коммутаторы, мультиплексоры проводной и беспроводной связи,
в особенности стандарта LTE, а также в приемопередатчиках основной полосы частот
и фемтосотах).

Компания Xilinх надеется, что устройства
на новой архитектуре найдут применение
в военно-космической отрасли. Официально
о выходе архитектуры EPP Pele будет объявлено в апреле 2011 года.