SoCとFPGAの設計手法

SoC（System on Chip）は、プロセッサや周辺機能、メモリなどの機能を一つのチップに集積した半導体である。FPGA（Field Programmable Gate Array）は、製造後に利用者が論理回路の構成を書き換えられるLSIであり、両者は組込みシステムのハードウェア設計で用いられる。本単元では、IPコアの再利用、FPGAの書換え方式と設計フロー、LSIの製造形態、組込みLinuxの構築環境を整理する。

SoCの仕組みとIPコアの再利用

SoCは、CPUや周辺回路を一つのチップに集積する方式であるため、部品点数や基板上の接続を減らして機器を小型化できる。 また、チップ間の信号伝送に伴う電力を削減できるので、低消費電力のシステムを実現しやすい。 CPUをチップの内部に組み込めるため、性能向上のためにCPUを必ず外付けにしなければならないという制約はない。

SoCの設計では、機能単位にまとめた部分回路情報をIPコアとして再利用する手法が中心となる。既存の機能回路であるIPコアを使えば、SoC全体を一から設計する場合に比べて設計・開発期間を短縮できる。 IPコアの対象はプロセッサやメモリなどのデジタル回路を含み、アナログ回路に限られるものではない。 一方で、IPコアが単体で動作確認済みであっても、組み込んだSoC全体の接続や動作は別途検証する必要がある。 また、IPコアには特定の製造プロセスや設計条件に依存するものがあるため、どの環境でも自由に使えるとは限らない。

FPGAの書換え方式と設計フロー

FPGAは、論理ブロックと配線の接続を構成情報によって決める装置であり、構成情報を書き換えることで回路の機能を変えられる。SRAM型FPGAは、構成情報をSRAMセルに保持し、電気的に書き換える方式である。その書換えは高速に行え、書換え回数にも実質的な制限がないことが特徴である。 一方、SRAMは揮発性であるため、電源を切ると構成情報が失われる。したがって、電源を投入するたびにコンフィギュレーションを行う必要がある。