“وضع ظهور مجموعة تعليمات RISC-V أساسًا متينًا لمهندسي التصميم لاستخدام FPGAs لتصميم النظام باستخدام نوى المعالج والإضافات القياسية أو المخصصة. RISC-V بدون تكلفة عبارة عن مجموعة تعليمات مفتوحة وقابلة للتجميد ، مما يسمح للمعالجات بمواصلة العمل بكفاءة حتى أثناء تطورها. بمعنى آخر ، يعد معالج RISC-V خيارًا خاليًا من المخاطر.
“
المصدر: صائد الفئران
تعتبر أنظمة SoC FPGA الصغيرة منخفضة الطاقة وعالية الأداء مناسبة للعديد من تطبيقات إنترنت الأشياء.
وضع ظهور مجموعة تعليمات RISC-V أساسًا متينًا لمهندسي التصميم لاستخدام FPGAs لتصميم النظام باستخدام نوى المعالج والإضافات القياسية أو المخصصة. RISC-V بدون تكلفة عبارة عن مجموعة تعليمات مفتوحة وقابلة للتجميد ، مما يسمح للمعالجات بمواصلة العمل بكفاءة حتى أثناء تطورها. بمعنى آخر ، يعد معالج RISC-V خيارًا خاليًا من المخاطر.
مجالات تطبيق RISC-V
تُستخدم المعالجات القائمة على RISC-V في تطبيقات مثل واجهة التصوير والاستشعار ، والجيش والفضاء ، وإنترنت الأشياء (IoT) ، والنقل بالسيارات والسكك الحديدية ، والتحكم الصناعي. توفر تصميمات RISC-V معدل نقل البيانات العالي المطلوب لمجموعة متنوعة من التطبيقات بما في ذلك الرؤية المدمجة الذكية والمركبات الهجينة والكهربائية والبنية التحتية للاتصالات اللاسلكية والروبوتات. تسهل سهولة استخدام أنظمة التشغيل في الوقت الفعلي ، بما في ذلك Linux ، تصميمات أنظمة التحكم القوية.
يمكن أن تكون FPGAs خيارًا جيدًا لتنفيذ التصميمات القائمة على معالج RISC-V. يمكن للمهندسين الاختيار من بين المعالج اللين الذي يتم تنفيذه باستخدام نسيج FPGA ، أو وحدة المعالجة المركزية الصلبة التي يتم تنفيذها فعليًا في نسيج رقاقة أثناء عملية التصنيع. تعمل النوى الناعمة على زيادة إمكانية إعادة استخدام التصميم وتقليل مخاطر التقادم ، في حين أن النوى الصلبة هي أبطال الأداء.
تعتبر FPGAs مثالية لتنفيذ العمليات المعقدة للغاية أو التي تستغرق وقتًا طويلاً لوحدات المعالجة المركزية للأغراض العامة. على سبيل المثال ، يتم تنفيذ وظائف تشفير الكتلة والتشفير بواسطة وحدة المعالجة المركزية باستخدام عدد كبير من الحلقات ، والتي تستغرق وقتًا أطول بكثير من أقمشة FPGA المخصصة لأنوية IP.
الاتجاه القادم
يحتوي Microchip على نوعين من PolarFire®يتم التعامل مع السلسلة (ونوع واحد يتحمل الإشعاع) باستخدام RISC-V. تقدم كلتا العائلتين خيارات معالجات مناسبة لتطبيقات RISC-V. جميع الأجهزة غير متطايرة وجاهزة للاستخدام خارج الصندوق. لديهم أربعة إلى أربعة وعشرين جهاز إرسال واستقبال بسرعة 12.7 جيجابت / ثانية يقال إنها تتطلب 1/2 قوة المنافسة ، بالإضافة إلى واجهات DDR4 و 1.6 جيجابت / ثانية LVDS. توفر هذه الرقائق وضع تعليق وحدة تحكم النظام للتصاميم الحرجة للسلامة والعديد من وظائف السلامة.
PolarFire®تتوفر MPFxxxT FPGAs بإصدارات 50k و 100k و 200k و 300k و 500k Logic Element (LE) ، مع معالج اختياري Mi-V RISC-V soft. يستخدم نواة وحدة المعالجة المركزية الأساسية ما يصل إلى حوالي 10k LEs. يشتمل عنوان IP الثابت المدمج لهذه الرقائق على منفذ نقطة نهاية / جذر PCIe مزدوج ، و PLL ، و DLL ، و 18 x 18 MACC pre-adder ، ومعالج تشفير.
يتوفر أكثر من 100 امتداد خاص بالتطبيق ، مثل مرشحات الاستجابة المحدودة للنبضة (FIR) ، وخوارزميات CRC32 (فحص التكرار الدوري 32 بت) ، وخوارزميات 3DES (معيار تشفير البيانات الثلاثي). يمكن أن تؤدي إضافة هذه الامتدادات إلى قلب RISC-V إلى تحسين أداء هذه الوظائف بشكل كبير مع تمكين توفير كبير في الطاقة.
الشكل 1: PolarFire®إصدار حزمة مقاس 16 × 16 مم من شركة نفط الجنوب.
(مصدر الصورة: Microchip)
المتشددين PolarFire®يحتوي إصدار SoC (النظام على الرقاقة) (الشكل 1) على خمسة أنوية لوحدة المعالجة المركزية (أربعة أنوية للمعالج ونواة شاشة واحدة) ، وجميع تطبيقات 64 بت لـ RV64. وهي متوفرة في خمسة إصدارات من 25 ألف إلى 460 ألف جنيه مصري (انظر الجدول 1). هذا هو أول نظام على شريحة (SoC) FPGA مع مجموعة RISC-V CPU محددة ومتماسكة ونظام فرعي محدد للذاكرة الثانوية ، ويدعم Linux وتطبيقات الوقت الفعلي.
PolarFire®باستخدام عملية متقدمة 28 نانومتر غير متطايرة ، يبلغ استهلاك الطاقة حوالي نصف عائلات FPGA الأخرى. PolarFire®يعتمد تنفيذ البنية الدقيقة لوحدة المعالجة المركزية RISC-V على خط أنابيب بسيط من خمس مراحل ، وتعليمات فردية ، ومتسلسلة ، وهو محصن ضد هجمات Meltdown و Specter الموجودة في آلات التنفيذ القياسية خارج النظام. يتم محاذاة جميع نوى وحدة المعالجة المركزية الخمسة مع النظام الفرعي للذاكرة ، مما يسمح بنظام الوقت الحقيقي الحتمي والجمع بين وظائف متعددة لنظام Linux في مجموعة وحدة معالجة مركزية متعددة النواة (الشكل 2).
الجدول 1: PolarFire قوي خماسي النواة®SoC FPGAs متوفرة في خمسة إصدارات مع أحجام حزم تتراوح من 11 إلى 35 ملم².
(المصدر: Microchip)
هذه المعالجات محصنة ضد هجمات الأمان المستندة إلى الشبكة والتي لا تتوفر بسهولة في النوى الأخرى / ISAs ، خاصة عندما يتعلق الأمر بتطبيقات إنترنت الأشياء. لا يعتمد RISC-V فقط على أمان التقسيم والاتصال ، ولكن لديه أيضًا ميزات مميزة أخرى ، بما في ذلك الأمن الحسابي لمنع فيضان المخزن المؤقت وحماية المعالجات من الهجمات الإلكترونية التي يتم بدء تشغيلها عبر الشبكة واستغلال الثغرات الأمنية في التعليمات البرمجية.
PolarFire®تستهلك هذه التقنية (في كثير من الحالات) طاقة أقل بنسبة 50٪ من منافسات FPGA ، مما يسمح بإزالة المراوح من النظام أو استخدامها في بيئات صغيرة يصعب فيها تبديد الحرارة.
الشكل 2: PolarFire®بنية نظام SoC. (مصدر الصورة: Microchip)
لايف لينكس
يمكن تلخيص نظام التشغيل في الوقت الفعلي بإيجاز على أنه مهام محددة لوقت التنفيذ الدوري. تتطلب أنظمة تشغيل Linux في الوقت الحقيقي وحدة إدارة ذاكرة (MMU) لإضفاء الطابع الافتراضي على الذاكرة الفعلية ، مما يلغي الحاجة إلى توقع الفرع. PolarFire®يمكن أن تدعم SoCs كلا من هذه المتطلبات.
يمكن لأربعة نوى RV64GC للشريحة تشغيل Linux ، بينما لا تستطيع نواة شاشة RV64IMAC. يبلغ حجم النظام الفرعي للذاكرة الثانوية 2 ميغا بايت ، ويحتوي على تصحيح للأخطاء ، ويمكن تهيئته في ثلاثة أوضاع: ذاكرة التخزين المؤقت ذات 16 طريقة ، والذاكرة المدمجة بشكل فضفاض (LIM) ، ولوحة التخزين. يمكن بناء LIMs في كتل 128 كيلو بايت وتخصيصها للمعالج للوصول الحصري.
ادوات التطوير
يبيرو®SoC Design Suite v12 هي أداة تطوير سهلة التعلم والاعتماد لاستخدام PolarFire®تصميم. يدمج الطقم معايير الصناعة Synopsys Synplify Pro®التوليف و Siemens ModelSim® المحاكاة مع إدارة القيد الممتازة ، وإمكانيات البرمجة وتصحيح الأخطاء ، ودعم برمجة الإنتاج الآمن. مكون MSS لتكوين PolarFire®النظام الفرعي لوحدة المعالجة المركزية SoC مع ساعة MSS قابلة للتكوين وواجهة تبديل وفتحات I / O وذاكرة DDR ووظائف تصحيح الأخطاء.
يعد جهاز محاكاة HDL أداة رئيسية لبناء هياكل الأجهزة ، مما يسمح بمحاكاة كيفية عمل البنية في ضوء بيانات الإدخال النموذجية.
يمكن للعملاء المؤهلين استخدام مجموعة تصميم Libero SoC 12.3 FPGA من Microchip وبيئة التطوير المتكاملة SoftConsole 6.2 لبدء التصميم دون الحاجة إلى أجهزة. يمكنهم أيضًا استخدام Renode ، وهو نموذج افتراضي لنظام فرعي للمعالج الدقيق ، لتصحيح أخطاء تطبيقاتهم المضمنة.
PolarFire® مجموعة SoC Icicle Development Kit (الشكل 3) عبارة عن منصة تصميم منخفضة التكلفة لتقييم أنظمة المعالجات الفرعية RISC-V التي تدعم نظام Linux الخماسي النواة ونظام Linux المبتكر والتنفيذ في الوقت الفعلي والميزات منخفضة الطاقة والأجهزة الطرفية الغنية. تحتوي المجموعة على الذاكرة المناسبة (LPDDR4 و SPI و eMMC flash) لتشغيل نظام Linux OS الحالي ، بما في ذلك مستشعرات الطاقة لمراقبة مجالات الطاقة المختلفة ، ومنفذ جذر PCIe ، و Raspberry Pi 4 ، وبطاقة SD ومنفذ توسعة mikroBUS ، بالإضافة إلى USB ، UART ، CAN وأنا2خيارات الاتصال السلكي C و Gigabit Ethernet.
الشكل 3: يمكن تنفيذ PolarFire بسرعة باستخدام مجموعة تصميم Icicle®تصميم SoC.
(مصدر الصورة: Microchip)
PolarFire في Icicle Kit®تتم برمجة أجهزة SoC باستخدام مبرمج FlashPro6 على متن الطائرة أو مبرمج FlashPro 4 أو 5 أو 6 خارجي. تأتي هذه المجموعة مقاس 18.3 سم × 12.6 سم مع محول طاقة مثبت على الحائط بقدرة 12 فولت / 5 أمبير وكابل إيثرنت وموصل USB 2.0 صغير لتوصيل واجهة UART بجهاز كمبيوتر وبطاقة بدء سريع.
الخاتمة
يواجه المصممون مخاطر أقل عند استخدام وحدات المعالجة المركزية RISC. بالنسبة لفرق التصميم المتمرسين ، يمكن استخدام RISC-V ISA لبناء أطر عمل MCU عبر أجيال متعددة من الأجهزة والمنتجات. وبالنسبة للتطبيقات الصعبة حقًا ، تتوفر التطبيقات الصعبة باستخدام نسيج FPGA والنوى ذات الامتدادات المتجهة (RVV) بسهولة من هنا.
يتمثل التنفيذ الجديد في تحديد مجموعة تعليمات أولاً ، ثم تحديد مورد kernel ، ثم إضافة ملحقات حسب الحاجة. تذكر أن RISC-V ليس نواة أو وحدة معالجة مركزية ، ولكنه مواصفات مجموعة تعليمات. يمكنك الحصول على النوى عن طريق: شحن FPGA مع النوى ، أو الحصول على تصميمات أساسية من عدة بائعي مفتوح المصدر (ما لا يقل عن اثني عشر أو نحو ذلك) ، أو شراء نوى / معالجات من موفري نواة تجاريين.
Microchip PolarFire®
SoC FPGA Icicle Kit
حول صائد الفئران للإلكترونيات
تعد شركة Mouser Electronics الموزع العالمي المعتمد لأشباه الموصلات والمكونات الإلكترونية التي تخدم أكبر مجتمع تصميم إلكتروني في العالم. مرخص لـ Mouser Electronics بتوزيع ما يقرب من 1200 علامة تجارية مشهورة ، ويمكنه طلب ملايين المنتجات عبر الإنترنت ، مما يوفر للعملاء منصة توريد شاملة. مرحبًا بكم في متابعتنا والحصول على معلومات مباشرة عن التصميم والصناعة!