ПРИМЕНИМОСТЬ ПРОЦЕССОРНЫХ ЯДЕР В ПЛИС

АННОТАЦИЯ

В данной статье описывается различия процессорных ядер, их недостатки и достоинства, а также их применимость в ПЛИС.

Ключевые слова: ядра, процессорные ядра, ПЛИС.

На сегодняшний день процессорные ядра, составляя часть процессора, являются значимым звеном в интегральных схемах. Они отвечают за выполнение арифметических, логических операций и операций управления, записанных в машинном коде. Необходимость процессорных ядер в ПЛИС обуславливается увеличением производительности в конкретных задачах, которые требуют не общего решения, а специализированного. Использование процессорных ядер позволяет разработчикам использовать привычные инструменты и планировать производительность будущей системы.

Существует два вида процессорных ядер – это программные (soft) и аппаратные (hard). Программные ядра описываются в виде логических функций и представляются в виде исходного кода на языке описания аппаратуры. При описании отсутствуют ограничения как к целям процессора, так и к технологии реализации. Аппаратные ядра создаются с фиксированной архитектурой и фиксированным набором команд. Обычно разработка данных ядер ведется для определенного приложения. Располагаются на одном кристалле с ресурсами программируемой логики.

Программные и аппаратные ядра обладают как недостатками, так и достоинствами. В первую очередь рассмотрим преимущества и недостатки программных ядер. Одним из недостатков является место, занимаемое на кристалле, из-за избыточности программируемой логики для решения специфических задач ядру необходимо больше пространства. Максимальная частота данных ядер измеряется в сотнях МГц, что значит использование ядер должно быть рассчитано на менее затратные по мощности задачи. Из преимуществ можно выделить широкую настройку параметров под конкретную задачу. Также если требуется обновить систему существует возможность замены одного процессора на другой или полный отказ от процессора в сторону системы на программируемой логике. Перейдем к описанию преимуществ и недостатков аппаратных ядер. Из недостатков можно отметить невозможность гибкой настройки из-за фиксированного расположения процессорного ядра на кристалле. В процессорах, которые используют аппаратные ядра, обновление невозможно. По этой же причине повторной использование устройства с таким процессором затруднено. В плюсах место, занимаемое на кристалле меньше, чем у программных ядер, по причине оптимального использования количества и типа логических элементов. Максимальная частота данных процессоров измеряется в ГГц, что позволяет использовать их в задачах, требующих наибольшую производительность.

Производители предлагают необходимые конфигурации процессорных ядер на программном и аппаратном уровне. Таким образом разработчики могут использовать для конкретных задач процессоры, которые могут взять на себя функции вычисления и управления. В пример можно привести аппаратные ядра Cortex-A и Cortex-R, а также программные ядра Cortex-M1 и Cortex-M3 от компании Xilinx. Компания предлагает выбор между стандартными и более мощными процессорными ядрами.

Необходимость процессорных ядер в ПЛИС дает разработчикам возможность создать для конкретной цели оптимальный вариант устройства. Процессорное ядро может быть запрограммировано и перепрограммировано в процессе разработки, по мере необходимости. Испытания устройства могут выполняться практически сразу после завершения процесса разработки или, во многих случаях, параллельно ему.

Список литературы:

1. Основы разработки встраиваемых систем на ПЛИС с использованием процессора NIOS II: учеб. Пособие. Д.С. Смирнов, И.Г. Дейнека, А.С. Алейник, И.А. Шарков. – Санкт-Петербург: Изд-во Университет ИТМО, 2019. – 97 с.
2. Джек Шандл. Программируемая логика выводит решения на базе микропроцессоров на новый уровень гибкости и скорости разработки [Электронный ресурс]; Перевод: Александр Калачев. URL: https://omsk.terraelectronica.ru/news/4954 (дата обращения: 17.05.2021)
3. Уильям Вонг. Использование бесплатных программных ядер CortexM в ПЛИС от Xilinx [Электронный ресурс]; Перевод: Вячеслав Гавриков. URL: https://omsk.terraelectronica.ru/news/5594 (дата обращения: 17.05.2021)
4. Разработка встроенного ядра на ПЛИС [Электронный ресурс] URL: https://russianelectronics.ru/razrabotka-vstroennogo-yadra-na-plis/ (дата обращения: 17.05.2021)