说明：本文内容节选自小梅哥编写的《SoC FPGA嵌入式设计和开发教程》一书1.1节。
随着信息技术的高速发展，各行各业正趋向于通过资源整合和并购的方式来获得更强、更稳固的竞争力，芯片架构亦是如此。单“芯“SoC方案（System onChip）拥有的低功耗、低成本、低布线面积以及高整合、高性能、高带宽（内部互联）的优势正推动其引领电子系统设计的潮流。
在传统的芯片架构中，处理器、DSP、FPGA往往都各自独立，互不相干。当一个系统需要用到处理器、DSP、FPGA中的多个元件时，采用板级集成的方式，在一块电路板上设计复杂的电路，将他们通过PCB板走线连接在一起。以此种方式设计的系统不仅设计生产成本高，而且受限于PCB走线和I/O管脚性能的影响，无法实现高带宽的数据通信。设计师们都期待着有这样一种芯片，能够同时拥有处理器、FPGA、DSP的特点，各个架构的优势强强联合，以提升电子系统设计的便利性。
为顺应时代的需求，亦如当年麻雀虽少，功能俱全的“单”片机出世，各大传统FPGA厂家都顺势推出了带有嵌入式硬核处理器的SoC FPGA。如Intel FPGA部门基于不同应用推出的带有Cortex-A9、Cortex-A53、至强CPU等一系列涵盖低、中、高端的SoCFPGA器件，Xilinx 推出的带有Cortex-A9、Cortex-A53处理器的Zynq系列FPGA。
集成处理器和FPGA器件具划时代意义。这样ARM和FPGA的优势共存一体，既ARM的顺序控制、丰富外设，开源驱动，与FPGA的并行运算、高速接口、灵活定制，相得益彰。再加上其内部多条高速桥接总线，使其数据交互链路畅行无阻。
无论是Xilinx的Zynq全可编程系列FPGA，还是Intel的SoC FPGA，其基本架构都是在同一个硅片上集成FPGA和CPU，并通过高速、高带宽的互联架构连接起来。他们本质相同，架构和性能也都非常相似。熟悉一种器件的使用和开发思路，掌握其开发流程，就可以快速的过渡到另一种器件上。因此本书以Intel公司的Cyclone V SoC FPGA器件为例，讲解这类新型异构芯片的开发方法。
针对不同的应用领域，Intel PSG部门设计开发了各种逻辑资源以及性能优异的SoC FPGA器件，如图 1.1.1所示。
图1.1.1Intel SoC FPGA器件图谱
Cyclone V SoCFPGA基于台积电28nm工艺，系统成本和功耗都非常低，其性能和成本优势适合大批量应用。FPGA与前几代相比，其总功耗降低了40%，具有高效的逻辑集成功能，提供可选的集成收发器。并且支持精度可调的DSP模块，数字信号处理性能高达150G MACS和100G FLOPS。Cyclone V SoC FPGA提供了3大类可选类型，如下：
具有基于ARM的HPS的Cyclone V SE SoC FPGA。
具有基于ARM的HPS和3.125 Gbps收发器的Cyclone V SX SoC FPGA。
具有基于ARM的HPS和5 Gbps收发器的Cyclone V ST SoC FPGA。
Arria V SoC FPGA同样基于台积电28nm芯片生产工艺，对于远程射频前端、LTE基站以及多功能打印机等中端应用，在成本、功耗和性能上达到了均衡。高速的FPGA架构、快速I/O以及高速收发器数据速率等特性进一步提高系统性能，具有丰富DSP块的Arria V FPGA架构性能达到1600 G MACS和300 GFLOPS。Arria V SoC FPGA提供2大类可选类型，如下：
具有基于ARM的HPS和6.5536-Gbps收发器的Arria V SX SoC FPGA。
具有基于ARM的HPS和10.3125-Gbps收发器的Arria V ST SoC FPGA。
Arria 10 SoCFPGA采用了台积电20nm的芯片生产工艺。作为高端SoC FPGA器件，其性能本身比Stratix V高出15%，而功耗却比Arria系列的前代产品Arria V节省了40%。同时，Arria 10 SoC FPGA提供了更加丰富的高性能IP支持，包括100G以太网、150G/300G Interlaken协议和PCI Express Gen3。同时，作为一款集成了基于ARM的HPS的SoC FPGA器件，其双核的ARM Cortex-A9处理器运行主频可达1.5GHz，性能也是非常的优异。
作为顶级SoC FPGA器件，Stratix 10 SoC FPGA使用了英特尔新的14nm三栅极芯片制造工艺，并通过开创性的HyperFlex体系结构实现了2倍内核性能。Stratix10 SoC FPGA器件中，逻辑容量最大的可达5.5MB，每秒可执行高达10 tera的浮点操作。同时，作为一款集成了基于ARM的HPS的SoC FPGA器件，Stratix 10 SoC FPGA将ARM处理器从双核Cortex-A9升级到了64位4核的Cortex-A53高性能处理器，性能提升非常明显。
Intel SoC FPGA器件集成了FPGA和ARM的特性，因此特别适用于工业自动化、运动控制、视频检测、图像处理等场合。基于FPGA的灵活扩展性，我们可根据市场需要完成定制化的开发需求，如多路串口和网口连接到ARM的总线上，由Linux系统统一调度管理。可以说，在FPGA资源充足的情况下，设计者可任意多地扩展系统的外设。下表列出了SoC FPGA器件常见的应用场景。
行业 |
目标应用 |
关键功能 |
工厂自动化 |
工业I/O |
传感器接口、安全 |
工业网络 |
工业通信/网络协议桥接、安全 |
|
可编程逻辑控制器（PLC）/人机接口（HMI）、驱动、伺服 |
控制环、高能效逆变器、通信协议、I/O、安全 |
|
智能能源 |
再生能源、传输和分配、保密通信 |
逆变器、功耗管理、保护中继、通信标准、保密、安全 |
视频监控 |
IP摄像机 |
宽动态范围（WDR）相机、高清（HD）视频、高级视频分析 |
汽车 |
高级辅助驾驶，信息娱乐 |
视频处理、视频分析、通信 |
无线基础设施 |
远程射频单元、LTE移动骨干网 |
信号处理、基带处理 |
固网通信 |
路由器、接入、边缘设备 |
路由协议、链路管理、OAM |
广播 |
演播、视频会议、专业音频/视觉（A/V） |
音频和视频CODEC、IP承载视频、PCIe采集、视频和图像处理 |
国防和航空航天 |
夜视、保密通信 |
视频和图像处理 |
智能、仪表 |
数据处理、控制和深度数据包探测 |
|
医疗 |
诊断成像、仪表 |
超声成像、信号处理 |
计算机和存储 |
多功能打印机、机架管理 |
扫描和打印算法、温度电压监视/远程访问 |
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