雖然半導體技術是所有電子產品的基礎，但真正讓我們的社會實現現代化的卻是軟件。與硬件相比，軟件提供了幾乎無限的靈活性，而且當軟件在高性能微處理器上運行時，可能會產生驚人的結果。例如，如果不是在最新的處理器上運行軟件，人工智能就不可能取得進展。

在過去的幾十年里，硬件與軟件之間的平衡已經發生轉變。人們普遍認為，現在約有 70％ 的產品功能是在嵌入式軟件層面定義的，而原因幾乎完全在于其靈活性。

然而，隨著應用將性能推向極致，這種不平衡也變成了一個制約因素。軟件歸根結底是以抽象的形式實現功能，在執行時間方面伴隨著不可避免的開銷。而在晶體管層面的專用硬件中實現的相同功能總是會執行得更快。這種性能上的增益通常以靈活性為代價，但是得益于集成了三種關鍵技術（處理內核、固定功能和可重新配置的硬件）的器件，在性能與靈活性之間實現正確的平衡已經變得更加容易。

高性能優化解決方案

集成上述三種技術的器件通常稱為片上系統 (SoC)。就本質而言，它們將這些功能的所有優點全部匯集到單一平臺中，提供比固定功能器件更大的靈活性、比微控制器更高的可配置性，以及比 FPGA 更多的功能多樣性。

出于多個原因，這種集成對于應用而言是一種很好的組合。性能是一個主要的原因，可以解釋為吞吐量或實時響應。低功耗和優化的設計可能是另一個原因。可以在單個器件上集成的功能越多，所需的外部元器件就越少。這些場景包括 SoC 的兩個“轉折點”，即實現純性能的場景和提供優化設計的場景。

如果吞吐量是最終目標，那么采用 ASIC 形式的全定制式設計所提供的性能將難以超越。不過，雖然 NRE 成本正在下降，但仍然需要根據單價權衡 ASIC 的開發成本，而且該數字通常只有在大批量的情況下才具有商業價值。長期以來，FPGA 技術一直在一個器件離廠后仍可配置的平臺中為行業提供與 ASIC 一樣的性能。底層技術使用查詢表來模擬全定制邏輯，但總是存在一些硬接線功能的集成，尤其是在涉及邏輯中不容易仿真的功能時。最近，此技術經過發展，已經將處理器子系統包括在內，使這些器件也毫無疑義地歸入 SoC 類別。FPGA 的行業領導者提供完美結合三種 SoC 關鍵元件的器件。其中包括 Xilinx 的 Zynq? UltraScale+ 系列，它提供具有兩個或四個 ARM?Cortex?-A53 內核以及 ARM Cortex-R5 內核的器件。

這些器件針對的是需要高性能的應用，而屬于第二個類別的 SoC 則包括 Microsemi 的 SmartFusion2 SoC FPGA 系列和 Cypress Semiconductor 的 PSoC 5LP 系列。這兩款器件都集成了 ARM Cortex-M3 內核與硬接線功能和可配置硬件。這里提到的所有器件均受到相關平臺支持，這些平臺同時在硬件和軟件層面為應用開發提供全面支持。

多核 SoC

Xilinx 的 ZCU102 評估板采用 Zynq UltraScale+ XCZU9EG 多處理器 SoC，可提供令人難以置信的高度集成。其多核處理功能包括 Cortex-A53 64 位四核處理器和 Cortex-R5 雙核實時處理器，與 FPGA 邏輯、連接接口和圖形處理單元緊密耦合（圖 1）。

圖 1： 高度集成的 Xilinx Zynq UltraScale+ EG 的框圖。

該評估板（圖 2）具有連接到處理子系統的 4 Gb DDR4 SODIMM 和連接到可編程邏輯的另一個 512 Mb DDR4 存儲器。它還包括兩個用于進一步擴展的 FPGA 夾層卡 (FMC) 接口以及高級接口（PCIe Gen2x4、USB3、顯示端口、SATA），可為汽車、工業、視頻和通信領域的各種應用提供理想的評估平臺。

圖 2： ZCU102 評估板的主要特性。

EG 系列的系統邏輯單元從大約 10 萬個擴展到 100 多萬個，其可配置邏輯塊 (CLB) 查詢表 (LUT) 的數量從大約 5 萬個到 50 多萬個不等。憑借這種水平的可配置性以及強化的多媒體塊和集成的高速外設，Zynq UltraScale+ 系列可以用于各種要求苛刻的應用。ZCU102 評估板是開發人員的理想平臺，與 Zynq-7000 系列相比，可提供高達五倍的每瓦性能。

應用示例

人們對性能的要求不斷增加，這一點在通信領域最為明顯。大部分互聯網活動都涉及存儲在數據庫中的信息，最常見的數據庫是 SQL。一種用于加速 SQL 數據庫的技術是使用高速緩沖存儲器，通常使用具有集成 DRAM 的標準處理器來實現。

這種做法雖然能夠奏效，但也受到處理器架構的束縛，因為處理器架構并不是為此類應用而設計的。使用 Zynq UltraScale+ 之類的器件可以為流數據提供優化的解決方案，而不會因為使用處理器的所有高級功能讓其如同網絡中的獨立服務器一樣工作而對處理器造成壓力。按照標準的 x86 處理器來衡量，這可以使性能提高四倍，而功耗則降低 20 倍。

在汽車行業，ADAS 的使用將因為車載攝像頭的使用而進一步增加。這會催生對能夠處理多達六個 30 幀/秒幀速 200 萬像素攝像頭的 SoC 的需求。憑借其高度集成的特性，Zynq UltraScale+ 非常適合這種具有挑戰性的應用。

ZCU102 配備了開始開發此應用及更多其他應用所需的所有工具和 IP。它還包括 Vivado 設計套件: 設計版憑證代碼（與評估板上的 XCZU9EG 進行節點鎖定和器件鎖定）。

物聯網中的 SoC

物聯網通常被描述為一種資源和功能有限的設備網絡，但它也涉及許多現有應用的連接和自動化。憑借其高度集成的特性，能夠提供適當功能水平和低功耗的 SoC 可為連接的設備提供理想的平臺。

例如，Microsemi 的 SmartFusion2 是針對電機控制和工業自動化應用的，但也可以為安全連接設備輕松奠定基礎。它將基于閃存的 FPGA 結構與 ARM Cortex-M3 內核和高性能通信接口（包括 CAN、千兆位以太網、HS-USB 和 PCIe）以及 DDR2/DDR3 存儲器控制器集成在一起。為了支持使用 SmartFusion2 進行應用開發，Microsemi 開發了 SmartFusion2 高級開發套件。該評估板的主要特性如圖 3 和圖 4 所示。

圖 3： SmartFusion2 高級評估套件的框圖。

圖 4： Microsemi 的 SmartFusion2 高級開發套件。

Microsemi 已使用此套件開發了一款演示應用，提供創建安全 Web 服務器（支持使用 TLS/SSL 安全協議發送和接收加密數據）所需的所有軟件和支持；此應用正是物聯網中目前部署的那種應用。

如圖 5 所示，應用層接收來自客戶端瀏覽器的請求，并使用靜態網頁做出響應，而服務器應用在 SmartFusion2 上運行。TLS/SSL 協議是使用開源庫 PolarSSL 實現的。傳輸層 (TCP/IP) 通過更多的開源軟件來實現，這些軟件在有無操作系統的情況下均可使用。在此示例中，使用 FreeRTOS 開源實時操作系統確定任務的優先順序并安排任務。也可以將該高級開發套件配置為運行 uClinux，這種操作系統基于 Microsemi 已針對 SmartFusion2 SoC 修改過的 Linux 內核。

圖 5： 在 SmartFusion2 上實現的安全 Web 服務器應用概述。

SmartFusion2 具有 15 萬個邏輯元件、一個 166 MHz Cortex-M3 內核和專用的 DSP 塊，加上嵌入式 NVM（非易失性存儲器）和 SRAM，在可配置性與硬接線功能之間實現了良好的平衡。該高級開發套件借助 PCIe 邊緣連接器、FMC 連接器、兩個千兆位以太網端口、SPI 和 UART 的支持來利用這種潛力。通過新增的高性能運算放大器，可以在開發過程中衡量器件的功耗，幫助開發人員在給定的功率預算內設計最佳解決方案。

優化的設計

單芯片解決方案廣泛適用于各種應用，可以將數字器件、模擬器件和存儲器恰當組合并集成到一起，提供優化的定制器件。這樣做總是能夠縮小 PCB 面積，減少外部元器件數量并降低 BOM 成本。

可編程模擬器件比相應的數字器件要少見得多，而且可以說是以 Cypress Semiconductor 的 PSoC 系列為主。PSoC 器件（即可編程 SoC）采用微控制器內核、硬接線塊和可編程邏輯，其區別在于其使用開關電容技術、運算放大器、比較器、ADC 和 DAC 以及數字濾波器模塊實現的可配置模擬外設。這些特性共同作用，就能創建與芯片上的數字功能緊密耦合的復雜模擬信號路徑的配置。

CY8CKIT-050 開發套件可與 PSoC Creator 集成開發環境 (IDE) 結合使用，基于 PSoC 5LP 開發各種應用。該開發套件的主要元件如圖 6 所示。

圖 6： PSoC 5LP 開發套件。

PSoC Creator 是與眾不同的 IDE；它可用于并行開發在器件的可配置模擬塊中實現的嵌入式軟件（在本例中，運行在 PSoC 5 的 ARM Cortex-M3 內核上）和硬件特性。可以使用拖放方法將模擬功能添加到設計中，動態生成 API，從而通過軟件訪問這些功能。IDE 自帶大量預定義的放大器和濾波器，但也允許開發人員自行創建功能。

為了示范 PSoC 5 的功能，Cypress 創建了大量應用示例，包括實現太陽能微逆變器控制器的示例。圖 7 顯示了該應用的架構概述。微逆變器涉及幾個轉換階段，包括紋波消除升壓控制、輸出電流控制、鎖相環控制和最大功率點跟蹤算法。此應用能夠恰當示范該平臺的功能。

圖 7： 使用 PSoC 5LP 實現的太陽能微逆變器控制器。

總結

雖然軟件可以提供抽象的方法來實現幾乎所有的任務或功能，但在性能方面卻很少能夠超越專用硬件。隨著人們對更高吞吐量和更高可配置性的需求增加，將硬件、軟件、數字和模擬域相結合的平臺作為單芯片解決方案也變得越來越可行。

這些 SoC 可以滿足需求，但是如同任何實現方式一樣，也需要做出一些妥協。并非所有 SoC 都能提供合適的硬接線功能。不可避免的是，沒有哪一種應用有可能利用所有可用的特性，而且在某些情況下，靈活性較高的平臺的經濟成本可能太高，以致難以承受。

不過，隨著技術的發展，這些妥協已經變得不那么明顯，它們所提供的靈活性很可能為其在更廣泛應用中的使用提供理由。