En FPGA kan vara både snabbare, billigare, effektsnålare och ge kortare utvecklingstider jämfört med en processor plus C- kod.

Det menar Stefan Sjöholm på ABB som utvecklat en ny konstruktionsmetod i samarbete med Mälardalens Högskola.


Att man kan ersätta delar av en mikroprocessor med en asic för att skruva upp prestanda är ingen nyhet. Men Stefan Sjöholm på ABB har uppnått mycket mer än så - med en ny konstruktionsteknik ersätter han en processor med en liten FPGA och höjer därmed prestandan samtidigt som kostnaden och utvecklingstiden sjunker. Som grädde på moset krymper dessutom effektförbrukningen och kretskortsytan.

- Konstruktionstekniken bygger på tillståndsmaskiner och på principerna för beteendesyntes, säger Stefan Sjöholm som har titeln asic-specialist och asic- strateg på ABB Automation Products i Västerås.

Han har utvecklat metodiken i samarbete med Mälardalens Högskola, och han har nyligen använt den i ett konstruktionsprojekt på ABB.

Tekniken går ut på att ersätta processorn med något som Stefan Sjöholm kallar en beteendecontroller, en styrenhet som i princip har samma funktioner som ett beteendesyntesverktyg: den allokerar (väljer komponenter), schemalägger resurser och klockcykler samt hanterar hur många klockcykler det ska ta att exekvera en funktion och antalet klockcykler mellan olika data som klockas in i systemet.

- Vi identifierar först de resurser som behövs, exempelvis multiplikatorer, ALUer och RAM. När vi har en helhetssyn på resursdelning och schemaläggning konstruerar vi en eller flera beteendecontrollers.

Dessa är ett slags tillståndsmaskiner som skrivs i VHDL-kod och syntetiseras. I den färdiga konstruktion upptar de ungefär en femtedel av kiselytan. Resten av konstruktionen skrivs i VHDL-kod på vanligt manér.



Sex kort blev testobjekt


Nyligen sattes metoden på prov på allvar.

- Vi har tittat på den här konstruktionstekniken i ett par år, men nu har vi för första gången ersatt processorer med FPGAer i ett skarpt projekt, säger Stefan Sjöholm.

Premiärtestet rörde egentligen inte en utan sex olika konstruktioner, som alla ingick i ett IO-system. Tre nya kretskort skulle tas fram, och tre befintliga kretskort med varsin överlastad 8-bitars processor skulle renoveras. Kravet var att kostnaden skulle sänkas rejält jämfört med liknande kretskort, samtidigt som prestandan minst skulle fördubblas.

I samtliga fall stod valet mellan en FPGA och en 16-bitars processor, och på fem kretskort av sex visade sig FPGA-alternativet vara överlägset.

- Det blev cirka 30 procent billigare med en FPGA än med en processor, prestandan blev mellan fem och

50 gånger högre, och effektförbrukningen sänktes markant, säger Stefan Sjöholm.

Kostnadsbesparingen beror på att han kunde välja så pass små FPGA-kretsar. Som mest krävdes 30 000 grindar, som minst endast 20 000. Stefan Sjöholm menar att konstruktionerna aldrig hade rymts i så små kretsar utan den nya konstruktionstekniken.

- Om jag hade skrivit VHDL-kod på vanligt sätt utan beteendecontrollers och resursdelning så skulle jag ha behövt FPGAer med mellan 50 000 och 150 000 grindar, säger han.

Så grindrika kretsar skulle dock ha blivit för dyra. En annan viktig fördel är att utvecklingstiden blev så kort, totalt ägnade Stefan Sjöholm sex månader åt de sex korten. Att skriva om programvaran på flera hundra sidor till knappt 100 sidor VHDL-kod tog exempelvis bara tre-fyra veckor. Och eftersom C-koden därefter inte behövdes, så slapp han tidsslukande samverifiering av maskin- och programvara.



En av sex blev processor


Till ett av de sex korten föll valet dock på en processor, eftersom konstruktionen krävde så mycket diagnostik och självtester att en större, och därmed dyrare, FPGA annars hade fått användas.

Stefan Sjöholm tycker definitivt att resultaten slår hål på myten att en processor med C-kod är billigare och ger kortare utvecklingstider jämfört med att implementera funktionerna i maskinvara. Styrkt av framgången vill han nu gå vidare.

- Jag ska börja titta på hur man kan ersätta 32-bitars processorer.

Han vill även sprida konstruktionsmetodiken inom ABB såväl som till andra företag och högskolor och har därför planer på föredrag och kurser i den nya metodiken. Helt lätt är det dock inte att övertyga inbitna processoranvändare.

- Hos många ligger det djupt i ryggmärgen att man ska använda processorer. Men nu kan jag visa att metoden verkligen fungerar, säger Stefan Sjöholm.

Charlotta von Schultz