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Field Programmable Gate Arrays (FPGAs) und programmierbare Logik sind seit vielen Jahren eine entscheidende Arbeitsgrundlage für Ingenieure. Beim Design mit Microcontrollern sind sich einige Ingenieure jedoch nicht unbedingt des Mehrwerts bewusst, der ihnen durch den Einsatz von FPGA-Logik in ihren Anwendungen zur Verfügung steht. In diesem Beitrag erörtern wir, wie einige Anwendungen von der Echtzeit-Rechenleistung eines FPGA profitieren können, und wir untersuchen Werkzeuge, die Ingenieure bei der Integration von FPGA-Logik in ihre Designs unterstützen.
Bestimmte Anwendungsbereiche profitieren von FPGAs
Viele Dinge lassen sich sowohl mit MCUs als auch mit FPGAs gleich gut erledigen, aber aufgrund ihrer verbesserten Rechenleistung und -geschwindigkeit, niedrigen Latenz, schnelleren Konnektivität und der Energieeffizienz bieten insbesondere FPGAs in vielen Anwendungen deutliche Vorteile. Digitale Signalverarbeitung (DSP), Krypto-Währung, Videoverarbeitung und KI eignen sich für FPGAs beispielsweise wesentlich besser als für eine MCU.
Schauen wir uns beispielsweise am Beispiel des System-on-Chip (SoC)SmartFusion2an, wie die Integration von FPGA in ein Design die Verarbeitungsleistung verbessern kann. Dieses Bauteil kombiniert MCU- und FPGA-Fähigkeiten auf einem Chip und verfügt über einen 166-MHz- Arm® Cortex™-M3-Prozessor und einen Flash-FPGA mit 6.000 bis 146.000 Logikblöcken. Die MCU bietet eine Speicherschutzeinheit (MPU), einen Controller Area Network (CAN)-Anschluss, Gigabit-Ethernet, bis zu 16 Transceiver-Lanes sowie High-Speed-USB. Die Funktionsliste des SoC umfasst Hard-Interface-Controller, Math Blocks, DSP, Secure Boot, AES256, SHA256, ein 5Mbit-SRAM und ein 4Mbit-eNVM.
Ganz gleich, ob Sie es als Mikrocontroller mit FPGA oder als FPGA mit Mikrocontroller bezeichnen – die Kombination beider Elemente ist ein einziger leistungsfähiger Chip. Der FPGA bietet die Rechenleistung, die für eine Vielzahl von Anwendungen erforderlich ist, darunter die Sensordatenanalyse für das Internet der Dinge (IoT), KI für die medizinische Bildanalyse, Videobildverarbeitung im Transport- und Sicherheitswesen sowie Echtzeit-Bewegungssteuerung von Industriesystemen.
Der FPGA kann als maßgeschneiderter Hardware-Beschleuniger für bestimmte Algorithmen fungieren. Die Beschleunigung sorgt nicht nur für eine wesentlich verbesserte Rechengeschwindigkeit, sondern senkt auch den Stromverbrauch deutlich. Die Performancegewinne sind dabei stark vom jeweiligen Algorithmus abhängig, aber eine Verbesserung um mindestens eine Größenordnung ist etwa bei der FFT (Fast Fourier Transformation) nicht ungewöhnlich.
Sein 5G SERDES (PCIe Gen2)-Anschluss hat eine Leistungsaufnahme von nur 70mW. Dieser extrem niedrige Stromverbrauch vergrößert den Einsatzbereich des ICs erheblich. Im Standby-Betrieb beträgt die Leistungsaufnahme des Chips sogar nur 7mW. Er ist in kommerziellen, industriellen, militärischen sowie in Automotive-Versionen erhältlich, was sein Einsatzspektrum noch weiter vergrößert.
Eine großartige Möglichkeit, mit der Integration der FPGA-Logik zu beginnen
Das Hello FPGA-Kit von Microchip Technology (M2S-HALLO-FPGA-KIT) verfügt über den M2S010 SmartFusion2 SoC (M2S010-1VF256) und eignet sich gut für Entwickler mit geringen bis mittleren FPGA-Kenntnissen (Abbildung 1). Das Kit ermöglicht es Anwendern, Designs mit einer der kleineren FPGA-Versionen von SmartFusion2 zu nutzen, bietet jedoch beträchtliche Leistung und eine hohe Benutzerfreundlichkeit. Die FPGA verfügen über eine standardmäßige LOT-Fabric (Lookup-Table-basierte Struktur mit 4 Eingängen) und nutzen die Low-Power-Flash-Technologie, die sie zu den sichersten und zuverlässigsten FPGAs der Branche machen.
Abbildung 1: Das kostengünstige und kompakte Hello-FPGA-Kit umfasst eine FPGA-Hauptplatine, eine Kamerasensorplatine und eine LCD-Platine (Quelle: Mouser Electronics)
Sobald die Verbindung hergestellt ist, kann der Betrieb durch einfaches Herunterladen und Installieren eines Beispiel-FPGA-Designs starten.
Mögliche weitere Anwendungsbereiche
Ingenieure können das Hello-FPGA-Kit einsetzen, um nahezu jede Funktion zu untersuchen. Aber um sich ein Bild des möglichen Leistungs- und Anwendungsspektrums von SmartFusion2 und Hello FPGA zu machen, können drei spezifische Design-Implementierungen leicht eingerichtet werden. Die drei spezifischen Design-Implementierungen von Hello FPGA umfassen DSP, Bildverarbeitung und -erkennung sowie KI. Schauen wir uns an, wie Hello FPGA diese Anwendungen unterstützt.
Abbildung 2: Ein Beispiel für die GUI des Hello-FPGA-Kit. In diesem Beispiel für die DSP-Filterdesign-Anwendung (Quelle: Microchip Technology)
Um das Debugging zu unterstützen und einen Betrieb mit geringstmöglichem Stromverbrauch zu gewährleisten, unterstützt die GUI des Kits die Messung und grafische Darstellung des Stromverbrauchs des FPGA-Kerns im laufenden Betrieb und nutzt die verbesserte eingebettete Trace-Makrozelle (ETM) des Prozessors für das Debugging.
Die Videos zum Microchip Hello-FPGA-Kit sind hier aufrufbar und liefern weitere Informationen zur Einrichtung und Verwendung des Kits.
Noch mehr Möglichkeiten
Der im Kit enthaltene SmartFusion2 SoC verfügt über 12.084 FPGA-Gatter. Sechs weitere Versionen desselben Chips (in einem größeren Gehäuse) sind mit bis zu 146.000 Gattern sowie 240 Math Blocks gegenüber 22 und anderen Funktionen erhältlich. Die GUI des Kits bietet eine benutzerfreundliche Anwendung zum Testen spezifischer Chip- und Systemfunktionen, einschließlich des stromsparenden Flash*Freeze-Betriebs, und verfügt über Arduino- und Mikrobus-Anschlüsse für flexible Erweiterungen.
Fazit
Die Integration von FPGA-Logik kann zu höherer Rechenleistung und -geschwindigkeit, geringerer Latenz, schnellerer Konnektivität und verbesserter Leistung in vielen Anwendungen führen. Zu den Anwendungen, die am meisten von der FPGA-Logik profitieren, gehören DSP, Krypto-Währung, Videoverarbeitung und KI. Jeder Ingenieur, der noch nicht mit dem Hello-FPGA-Kit gearbeitet hat, sollte dies einfach ausprobieren, um einen besseren Einblick in die Leistungsfähigkeit und Flexibilität zu erhalten, die die Kombination aus MCU und Flash-FPGA bietet, die mit dem SmartFusion2 SoC und dem Hello-FPGA-Kit erhältlich ist.
Jim Harrison ist Elektronikingenieur und war seit 1989 in leitenden Positionen im Design Engineering bei Unternehmen für industrielle Automatisierung und wissenschaftliche Messgeräte tätig. Im Jahr 2004 wechselte er in den Fachjournalismus und war 14 Jahre lang leitender Redakteur des Electronics Products Magazin bei Hearst Business Media. Derzeit ist er Berater bei Lincoln Technology Communications.