Mikroprozessor, FPGA oder System-on-Module – Wann wähle ich was?

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Mehrchip- oder Einchip-Lösung: Vor- und Nachteile

Variante eins hat sicherlich den Vorteil, dass bei MCU/MPU oft schon auf bestehenden Programm-Code laufender Projekte zurückgegriffen werden kann und man sich getrennt davon speziell auf die zu realisierende Funktion im FPGAs konzentriert. Zur Herausforderung wird hier aber, über welches Interface die Daten vom FPGA zum Prozessor gelangen und ob der Prozessor überhaupt in der Lage ist z.B. hohe Datenmengen oder Echtzeit-Anforderungen zu verarbeiten. Oft werden alleine durch diesen Vorgang die Prozessor-Systeme bis an ihr Maximum ausgelastet bzw. es kommen Mehrkern-Prozessoren zum Einsatz, welche das System selbstverständlich nicht trivialer machen. Darüber hinaus entstehen auch aus Hardwaresicht weitere Anforderungen an die Speicheranbindung, die Spannungsversorgung, die Platine und den generellen Aufwand im System.

Betrachtet man Variante zwei, muss man vorerst unterscheiden, ob eine MCU (Microcontroller Unit; z.B. ARM Cortex M) ausreichend ist, oder eine MPU (Microprocessor Unit; z.B. ARM Cortex A) mit Betriebssystem benötigt wird. Es ist heute relativ leicht, eine MCU in Form eines Softcore (z.B. NIOS II von Altera) in ein FPGA zu implementieren. Beim Softcore wird die Architektur eines Mikrocontrollers in Logik nachgebildet und dann im FPGA eingebettet.

Dabei kann der Controller wie gewohnt mit C oder anderen Sprachen programmiert werden. Somit kann die gewohnte Funktionalität einer MCU sehr leicht in einem FPGA realisiert werden. Darüber hinaus besitzt man mit einem Softcore volle Flexibilität für neue Projekte, da man sich die Peripherie des Mikrocontrollers (Speicher / Schnittstellen / IOs) individuell zusammen stellen kann, z.B. 8x CAN-Bus oder 12x SPI sind einfach realisiert und können jederzeit nach oben bzw. unten angepasst werden.

Wird eine MPU benötigt, bieten die FPGA Hersteller kombinierte Bausteine aus einem FPGA und einem in Silizium realisierten Prozessor, typischerweise Cortex A9, welche als System-on-Chip bezeichnet werden (vgl. Altera Cyclone V SoC). Diese gibt es in unterschiedlichen FPGA Logikgrößen und aktuell in Serie verfügbar als Single/Dual Core Cortex A9, sodass ein flexibles und kostenoptimiertes Design realisiert werden kann.

Die Vorteile sind hierbei das Single-Chip-Design und die bereits intern fest verdrahtete Verbindung vom FPGA zum CortexA9 für den einfachen und schnellen Datenaustausch. Für diese Systeme gibt es die entsprechenden Evaluation-Boards mit Software, wie das Arrow SoCKit oder serientaugliche System-on-Modules (SOM) von Exor/Shiratech/Novtech basierend auf dem Altera Cyclone V SoC, welches dem Kunden den schnellen Einstieg mittels vorgefertigten Projekten ermöglicht.

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