說明：本文內容節選自小梅哥編寫的《SoC FPGA嵌入式設計和開發教程》一書1.1節。
隨著信息技術的高速發展，各行各業正趨向于通過資源整合和并購的方式來獲得更強、更穩固的競爭力，芯片架構亦是如此。單“芯“SoC方案（System onChip）擁有的低功耗、低成本、低布線面積以及高整合、高性能、高帶寬（內部互聯）的優勢正推動其引領電子系統設計的潮流。
在傳統的芯片架構中，處理器、DSP、FPGA往往都各自獨立，互不相干。當一個系統需要用到處理器、DSP、FPGA中的多個元件時，采用板級集成的方式，在一塊電路板上設計復雜的電路，將他們通過PCB板走線連接在一起。以此種方式設計的系統不僅設計生產成本高，而且受限于PCB走線和I/O管腳性能的影響，無法實現高帶寬的數據通信。設計師們都期待著有這樣一種芯片，能夠同時擁有處理器、FPGA、DSP的特點，各個架構的優勢強強聯合，以提升電子系統設計的便利性。
為順應時代的需求，亦如當年麻雀雖少，功能俱全的“單”片機出世，各大傳統FPGA廠家都順勢推出了帶有嵌入式硬核處理器的SoC FPGA。如Intel FPGA部門基于不同應用推出的帶有Cortex-A9、Cortex-A53、至強CPU等一系列涵蓋低、中、高端的SoCFPGA器件，Xilinx 推出的帶有Cortex-A9、Cortex-A53處理器的Zynq系列FPGA。
集成處理器和FPGA器件具劃時代意義。這樣ARM和FPGA的優勢共存一體，既ARM的順序控制、豐富外設，開源驅動，與FPGA的并行運算、高速接口、靈活定制，相得益彰。再加上其內部多條高速橋接總線，使其數據交互鏈路暢行無阻。
無論是Xilinx的Zynq全可編程系列FPGA，還是Intel的SoC FPGA，其基本架構都是在同一個硅片上集成FPGA和CPU，并通過高速、高帶寬的互聯架構連接起來。他們本質相同，架構和性能也都非常相似。熟悉一種器件的使用和開發思路，掌握其開發流程，就可以快速的過渡到另一種器件上。因此本書以Intel公司的Cyclone V SoC FPGA器件為例，講解這類新型異構芯片的開發方法。
針對不同的應用領域，Intel PSG部門設計開發了各種邏輯資源以及性能優異的SoC FPGA器件，如圖 1.1.1所示。
圖1.1.1Intel SoC FPGA器件圖譜
Cyclone V SoCFPGA基于臺積電28nm工藝，系統成本和功耗都非常低，其性能和成本優勢適合大批量應用。FPGA與前幾代相比，其總功耗降低了40%，具有高效的邏輯集成功能，提供可選的集成收發器。并且支持精度可調的DSP模塊，數字信號處理性能高達150G MACS和100G FLOPS。Cyclone V SoC FPGA提供了3大類可選類型，如下：
具有基于ARM的HPS的Cyclone V SE SoC FPGA。
具有基于ARM的HPS和3.125 Gbps收發器的Cyclone V SX SoC FPGA。
具有基于ARM的HPS和5 Gbps收發器的Cyclone V ST SoC FPGA。
Arria V SoC FPGA同樣基于臺積電28nm芯片生產工藝，對于遠程射頻前端、LTE基站以及多功能打印機等中端應用，在成本、功耗和性能上達到了均衡。高速的FPGA架構、快速I/O以及高速收發器數據速率等特性進一步提高系統性能，具有豐富DSP塊的Arria V FPGA架構性能達到1600 G MACS和300 GFLOPS。Arria V SoC FPGA提供2大類可選類型，如下：
具有基于ARM的HPS和6.5536-Gbps收發器的Arria V SX SoC FPGA。
具有基于ARM的HPS和10.3125-Gbps收發器的Arria V ST SoC FPGA。
Arria 10 SoCFPGA采用了臺積電20nm的芯片生產工藝。作為高端SoC FPGA器件，其性能本身比Stratix V高出15%，而功耗卻比Arria系列的前代產品Arria V節省了40%。同時，Arria 10 SoC FPGA提供了更加豐富的高性能IP支持，包括100G以太網、150G/300G Interlaken協議和PCI Express Gen3。同時，作為一款集成了基于ARM的HPS的SoC FPGA器件，其雙核的ARM Cortex-A9處理器運行主頻可達1.5GHz，性能也是非常的優異。
作為頂級SoC FPGA器件，Stratix 10 SoC FPGA使用了英特爾新的14nm三柵極芯片制造工藝，并通過開創性的HyperFlex體系結構實現了2倍內核性能。Stratix10 SoC FPGA器件中，邏輯容量最大的可達5.5MB，每秒可執行高達10 tera的浮點操作。同時，作為一款集成了基于ARM的HPS的SoC FPGA器件，Stratix 10 SoC FPGA將ARM處理器從雙核Cortex-A9升級到了64位4核的Cortex-A53高性能處理器，性能提升非常明顯。
Intel SoC FPGA器件集成了FPGA和ARM的特性，因此特別適用于工業自動化、運動控制、視頻檢測、圖像處理等場合。基于FPGA的靈活擴展性，我們可根據市場需要完成定制化的開發需求，如多路串口和網口連接到ARM的總線上，由Linux系統統一調度管理。可以說，在FPGA資源充足的情況下，設計者可任意多地擴展系統的外設。下表列出了SoC FPGA器件常見的應用場景。
行業 |
目標應用 |
關鍵功能 |
工廠自動化 |
工業I/O |
傳感器接口、安全 |
工業網絡 |
工業通信/網絡協議橋接、安全 |
|
可編程邏輯控制器（PLC）/人機接口（HMI）、驅動、伺服 |
控制環、高能效逆變器、通信協議、I/O、安全 |
|
智能能源 |
再生能源、傳輸和分配、保密通信 |
逆變器、功耗管理、保護中繼、通信標準、保密、安全 |
視頻監控 |
IP攝像機 |
寬動態范圍（WDR）相機、高清（HD）視頻、高級視頻分析 |
汽車 |
高級輔助駕駛，信息娛樂 |
視頻處理、視頻分析、通信 |
無線基礎設施 |
遠程射頻單元、LTE移動骨干網 |
信號處理、基帶處理 |
固網通信 |
路由器、接入、邊緣設備 |
路由協議、鏈路管理、OAM |
廣播 |
演播、視頻會議、專業音頻/視覺（A/V） |
音頻和視頻CODEC、IP承載視頻、PCIe采集、視頻和圖像處理 |
國防和航空航天 |
夜視、保密通信 |
視頻和圖像處理 |
智能、儀表 |
數據處理、控制和深度數據包探測 |
|
醫療 |
診斷成像、儀表 |
超聲成像、信號處理 |
計算機和存儲 |
多功能打印機、機架管理 |
掃描和打印算法、溫度電壓監視/遠程訪問 |
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