从MCU到FPGA: 第4部分

本周我想进一步探究可编程逻辑（FPGA）与硬核处理器（HPS）之间互联的结构。我发现了三种主要方式，它们是如何映射并处理通信的，哪些组件需要管控时序并且有访问权限。

AXI Bridge

为了能够实现HPS与FPGA之间的通信接口，衍生出了AXI bridge协议。AXI  bridge协议能够处理带宽适应和时钟控制，支持HPS与FPGA之间双向的逻辑和数据交互。

图1：FPGA结构可视化表示（来源：Intel PSG）

HPS到FPGA

HPS到FPGA有两种类型：高吞吐量和低吞吐量。高吞吐量的数据带宽可以使32位、64位或128位，它是专门为高带宽数据传输而设计的，HPS作为主，处在L3层。

轻量级（或低吞吐量）通道被限制为32位，然而它进行了优化，延迟最低。它的主要功能是将控制和状态寄存器传递给FPGA。此外它也对HPS到FPGA的通信通道进行了一定的分流，具体类比描述见图1，从HPS到FPGA有两条通道：第一个是32位数据通道具有更高的速度限制，另一个则设计了很多个通道，在同一时刻支持更高的带宽和更多的数据传输。

FPGA到HPS

图1的第三个通道是实现FPGA到HPS的数据传输，它设计的目的是访问HP slave接口或在HPS程序端等待数据的输入。它可以配置为32位、64位或者128位的数据带宽，是由HPS L3主切换时钟来控制。

为了将这些通信通道结合在一起，我开始翻阅Intel开发者社区的黄金硬件参考设计指南（GHRD），它提供了一些例子来说明如何在FPGA和HPS之间建立AXI bridge通道，正是借助它我真正体会到了“配置向导”的强大功能，只需要鼠标点击六次我就完成了三个通信通道的配置，同时还可以配置内存分配。最后我了解到HPS bridge是映射到片上内存，实现尽可能少的延迟。而FPGA部分则映射到从内存地址，当有数据时将数据写入内存。

将它们整合在一起

那么这意味着什么？通信通道和不同传输层对于我这种对小型低功耗的MCU经验丰富的人来说也不是有太多的机会应用它们。尽管如此，那些习惯ARM MCU编程的开发者来说可能会熟悉这些通信通道（Bridge）。实际上这些通信通道是一系列的控制寄存器和内存映射，会以非常高的速度被访问，这对于多线程、多核系统非常的有用，因为这类系统需要高速、多用途的数据传输。当然这种内部互联的想法对于MCU爱好者来说是非常普遍的。使用内部互联通信通道来分担任务是非常熟悉的，但是将它们当做内存或RAM来访问则有些新奇了。简单来说，L3层是实现从FPGA到HPS通信机制而设计的，支持不同处理器核之间的数据传输。它开放了FPGA资源执行一些HPS所要完成的任务，否则HPS会有极大的阻碍，最终从整体上提升了系统性能。