現場可編程門陣列 (FPGA)、支持 Linux 的 RISC-V 微控制器單元 (MCU) 子系統、高級存儲器架構和高性能通信接口是設計人員的重要工具。對于安全連接系統、安全關鍵系統以及人工智能 (AI) 和機器學習 (ML) 等各種硬實時確定性系統的設計人員來說尤其如此。

　　然而，將這些不同的元件集成到一個安全、互聯和確定性的系統中可能是一項具有挑戰性和耗時的活動，為各種系統元件布置高速互連也是如此。設計人員需要包括存儲器管理單元、存儲器保護單元、安全啟動功能和千兆級收發器，以實現高速連接。該設計將需要有源和靜態電源管理以及對浪涌電流的控制。某些設計需要在0°C至+100°C結溫(TJ)，而工業環境中的系統將需要在 T 下運行J 從 -40°C 到 +100°C。

　　為了應對這些和其他挑戰，設計人員可以轉向 FPGA 片上系統 (SoC) 器件，這些器件結合了低功耗、熱效率和國防級安全性，適用于智能、互聯和確定性系統。

　　本文回顧了此類FPGA SoC的架構，以及它如何支持連接和確定性系統的高效設計。然后簡要介紹EEMBC CoreMark-Pro處理功耗與功耗基準測試，以及代表性FPGA SoC的基準性能視圖。它著眼于如何將安全性融入這些FPGA SoC中，并詳細介紹了示例性 FPGA 固態硬盤 從 微芯片技術，以及 開發平臺 以加快設計過程。最后簡要列出了來自 MikroElektronika 可用于實現一系列通信接口，以及全球導航衛星系統(GNSS)定位功能。

　　采用 FPGA 架構構建的 SoC

　　該SoC的“芯片”是一個FPGA結構，其中包含系統元素，從FPGA到使用硬化FPGA邏輯構建的RISC-V MCU子系統。MCU 子系統包括一個四核 RISC-V MCU 集群、一個 RISC-V 監控內核、一個系統控制器和一個確定性 2 級 (L2) 內存子系統。這些 SoC 中的 FPGA 包括高達 460 K 的邏輯元件、高達 12.7 Gbps 的收發器以及其他輸入/輸出 (I/O) 模塊，包括通用 I/O (GPIO) 和高速外圍組件互連 (PCIe) 2。整體架構專為可靠性而設計。它包括所有存儲器上的單錯誤校正和雙錯誤檢測 (SECDED)、差分功率分析 (DPA)、物理內存保護和 128 kbs 閃存啟動存儲器(圖 1)。

　　圖 1：該 FPGA SoC 中的所有元件(包括 RISC-V 子系統)都在 FPGA 架構上實現。(圖片來源：微芯科技)

　　Microchip提供其Mi-V(發音為“我的五”)第三方工具和設計資源的生態系統，以支持RISC-V系統的實施。它旨在加速 RISC-V 指令集架構 (ISA) 用于強化 RISC-V 內核和 RISC-V 軟內核。Mi-V 生態系統的元素包括訪問：

　　知識產權 (IP) 許可

　　硬件

　　操作系統和中間件

　　調試器、編譯器和設計服務

　　FPGA SoC 中的強化型 RISC-V MCU 包括多種調試功能，如無源運行時可配置高級可擴展接口 (AXI) 和指令跟蹤。AXI 使設計人員能夠監控寫入或讀取各種存儲器的數據，并了解何時寫入或讀取數據。

　　RISC-V MCU 子系統使用五級單問題有序流水線。它不容易受到Spectre或Meltdown漏洞的攻擊，這些漏洞可能會影響無序架構。所有五個MCU都與存儲器子系統一致，支持確定性非對稱多處理(AMP)模式實時系統和Linux的混合。RISC-V子系統的功能包括(圖2)：

　　運行 Linux 和硬實時操作

　　將 L1 和 L2 配置為確定性存儲器

　　DDR4 內存子系統

　　禁用/啟用分支預測器

　　按順序管道操作

　　圖 2：RISC-V 子系統包括多個處理器和內存元件。(圖片來源：微芯科技)

　　以更少的能源實現更多的處理

　　除了系統操作優勢(包括支持硬實時處理)外，這些 FPGA SoC 還具有高能效。EEMBC CoreMark-PRO基準測試是比較嵌入式系統中MCU效率和性能的行業標準。它專門設計用于基準測試硬件性能并取代Dhrystone基準測試。

　　CoreMark-PRO 工作負載包括基于四個浮點工作負載和五個常見整數工作負載的各種性能特征、指令級并行性和內存利用率。浮點工作負載包括派生自 LINPACK 的線性代數例程、快速傅里葉變換、用于模式評估的神經網絡算法以及 Livermore 循環基準測試的改進版本。JPEG 壓縮、XML 解析器、ZIP 壓縮和 256 位安全哈希算法 (SHA-256) 構成了整數工作負載的基礎。

　　這些 SoC FPGA 的 MPFSO95T 模型，如 MPFS095TL-FCSG536E，可在 1.3 瓦時提供多達 6，500 個 Co備注(圖 3)。

　　圖 3：MPFS095T FPGA SoC(橙色線)以 1.3 瓦的功率提供 6500 個協同作用。(圖片來源：微芯科技)

　　安全注意事項

　　這些 FPGA SoC 的安全關鍵型和硬實時應用除了需要高能效和強大的處理能力外，還需要強大的安全性。這些 FPGA SoC 的基本安全功能包括抗差分功耗分析 (DPA) 比特流編程、真隨機數發生器 (TRNG) 和物理不可克隆功能 (PUF)。它們還包括標準和用戶定義的安全啟動、物理內存保護，提供與計算機特權狀態相關的內存訪問限制，包括計算機、管理引擎或用戶模式， 以及對崩潰和幽靈攻擊的免疫力。

　　安全性始于安全的供應鏈管理，包括在晶圓測試和封裝期間使用硬件安全模塊(HSM)。在每個 FPGA SoC 中嵌入使用 768 字節數字簽名的 x.509 FPGA 證書，增加了供應鏈保證。

　　這些 FPGA SoC 中包含許多片上篡改檢測器，以確保安全可靠的運行。如果檢測到篡改，則會發出篡改標志，使系統能夠根據需要做出響應。一些可用的篡改檢測器包括：

　　電壓監視器

　　溫度傳感器

　　時鐘毛刺和時鐘頻率檢測器

　　JTAG有源探測器

　　網狀主動檢測器

　　通過 256 位高級加密標準 (AES-256) 對稱分組密碼相關功率攻擊 (CPA) 對策、確保數據完整性的集成加密摘要功能、用于密鑰存儲的集成 PUF 以及用于 FPGA 結構和所有片上存儲器的歸零功能，進一步確保了安全性。

　　FPGA SoC 示例

　　Microchip Technology 將這些功能和技術結合到其具有多種速度等級、溫度額定值和各種封裝尺寸的 PolarFire FPGA SoC 中，以支持設計人員對具有 25 K 至 460 K 邏輯元件的各種解決方案的需求。提供四種溫度等級(均額定溫度為 TJ)、0°C 至 +100°C 擴展商用范圍、-40°C 至 +100°C 工業范圍、-40°C 至 +125°C 汽車范圍和 -55°C 至 +125°C 軍用范圍。

　　設計人員可以選擇標準速度等級器件，也可以選擇速度快 15% 的 -1 級器件。這些 FPGA SoC 可在 1.0 V 電壓下運行以實現最低功耗運行，或以 1.05 V 電壓運行以實現更高性能。它們提供多種封裝尺寸，包括 11 x 11 毫米 (mm)、16 x 16 mm 和 19 x 19 mm。

　　對于需要擴展商用溫度操作、標準速度操作和 19 x 19 mm 封裝中的 254 K 邏輯元件的應用，設計人員可以使用 MPFS250T-FCVG484EES.對于需要 23 K 邏輯元件的更簡單解決方案，設計人員可以轉向 MPFS025T-FCVG484E，還具有擴展的商業溫度操作和標準速度等級，采用 19 x 19 mm 封裝。這 MPFS250T-1FCSG536T2 具有 254 K 邏輯元件，專為高性能汽車系統而設計，工作溫度范圍為 -40 至 125°C，速度等級為 -1，時鐘速度提高了 15%，采用緊湊的 16 x 16 mm 封裝，間距為 0.5 mm 的 536 個球(圖 4)。

　　圖 4：汽車溫度 MPFS250T-1FCSG536T2 采用 16 x 16 mm 封裝，球數為 536，間距為 0.5 mm。(圖片來源：微芯科技)

　　FPGA SoC 開發平臺

　　為了加快使用PolarFire FPGA SoC的系統設計，Microchip提供了 強積金-冰柱-套件-ES PolarFire SoC Icicle套件，支持探索具有低功耗實時執行功能的五核支持Linux的RISC-V微處理器子系統。該套件包括評估設計所需的免費Libero Silver許可證。它支持單一語言的編程和調試功能。

　　這些 FPGA SoC 受 矢量布洛克斯 加速器軟件開發套件 (SDK)，支持低功耗、小尺寸 AI/ML 應用。重點是簡化設計過程，使設計人員不需要具有先前的FPGA設計經驗。VectorBlox加速器SDK使開發人員能夠使用C / C++對高能效神經網絡進行編程。Icicle 套件具有眾多功能，可提供全面的開發環境，包括用于監控各種電源域的多軌電源傳感器系統、PCIe 根端口和板載存儲器(包括 LPDDR4、QSPI 和 eMMC 閃存)以運行 Linux 和 Raspberry Pi，以及用于大量有線和無線連接選項的 mikroBUS 擴展端口，以及 GNSS 定位功能等功能擴展(圖 5)。

　　圖 5：這個全面的 FPGA SoC 開發環境包括用于 Raspberry Pi(右上)和 mikroBUS(右下)擴展板的連接器。(圖片來源：微芯科技)

　　擴展板

　　mikroBUS 擴展板的一些示例包括：

　　米克羅-986，用于使用串行外設接口 (SPI) 添加 CAN 總線連接。

　　米克羅-1582，用于 MCU 和 RS-232 總線之間的接口。

　　米克羅-989，用于連接 RS422/485 通信總線。

　　米克羅-3144，支持 LTE Cat M1 和 NB1 技術，可實現與 3GPP 物聯網設備的可靠和簡單的連接。

　　米克羅-2670，通過同時接收 GPS 和伽利略星座以及北斗或 GLONASS 實現 GNSS 功能，從而在城市峽谷信號較弱或干擾的情況下實現高定位精度。

　　結論

　　設計人員在開發互聯、安全關鍵和硬實時確定性系統時可以求助于 FPGA SoC。FPGA SoC 提供廣泛的系統元件，包括 FPGA 結構、具有高性能存儲器的 RISC-V MCU 子系統、高速通信接口和眾多安全功能。為了幫助設計人員入門，我們提供了包含所有必要元素的開發板和環境，包括可用于實現各種通信和定位功能的擴展板。