面向ARM系统集成的FPGA片上系统解决方案

作者：时间：2026-04-30 来源：

市场压力与设计挑战

面对激烈的市场竞争，嵌入式系统设计人员必须重新评估开发流程。系统复杂度持续提升，同时在性能、功耗与空间方面的约束却愈发严苛。不断迭代的行业标准、新兴市场以及多变的行业趋势，要求设计流程具备高度灵活性，能够快速适配变化。设计人员需要开发更复杂的系统，并快速推出全新产品或衍生型号产品。

尽管这些需求看似意味着需要投入更多开发时间与资源，但产品上市窗口期却在不断收窄，研发团队必须在更短周期内交付更先进、更灵活的系统方案。同时，成本预算限制往往迫使团队精简人员与投入，而非扩充规模。想要获得市场成功，就必须采用更高效的开发方式，快速打造功能丰富、高性能且具备适配能力的产品。

ARM 平台格局集中化

对设计人员而言，一个有利趋势是：嵌入式平台正逐步向 ARM 处理器统一集中。几年前，处理器市场呈现碎片化格局，PowerPC、RISC、MIPS、SPARC 架构各自割据。随着市场逐步成熟，ARM 处理器已成为众多嵌入式应用的事实上行业标准。

如今基于 ARM 的解决方案品类日益丰富，既有标准通用器件，也包含可在可编程逻辑与 ASIC 中实现的ARM 软核 IP与ARM 硬核 IP。

即便如此，传统通用嵌入式方案仍难以满足现代设计要求：

基于 FPGA 的单芯片实现方案

想要保持市场竞争力，嵌入式研发人员需要一套兼具高灵活性与高效率的解决方案。基于 FPGA 的单芯片架构能够缩短产品上市周期，是替代多芯片方案与 ASIC SoC 方案的优质选择。

过去十年，内嵌处理器的 FPGA 应用规模持续稳步增长。但并非所有 FPGA 方案都能满足严苛的现代设计要求。传统基于 FPGA 的 ARM 系统多采用基于硬件描述语言（HDL）的软核处理器，这类方案仅适用于规模、功耗、性能需求适中的简易系统，难以支撑复杂高端设计。

对于功能持续迭代的复杂系统，在同一芯片平台上集成经过优化的 ARM 硬核与 FPGA 可编程逻辑阵列，是更优的技术路线。

SoC FPGA 架构

各大 FPGA 厂商技术迭代，催生了片上系统级 FPGA（SoC FPGA）这类器件，可全面满足嵌入式系统的多项核心需求。

基于 ARM 的 SoC FPGA 在单颗芯片内集成增强型 ARM 处理器、内存控制器、外设接口以及可自定义的 FPGA 可编程逻辑阵列。

ARM 架构 SoC FPGA 将经过优化的硬核处理器系统（HPS）与 FPGA 逻辑阵列深度集成在同一芯片内部。

硬核处理器系统通常包含双核 ARM 处理器、多端口内存控制器与多路外设单元。处理器性能可达约 4000 DMIPS（Dhrystone 2.1 基准测试），整机功耗低于 1.8 瓦。

内置硬核 IP 核可提升性能、降低功耗与物料成本，同时节省可编程逻辑资源，供用户实现自定义逻辑功能。可编程逻辑阵列可灵活适配各类通信标准与网络协议。

（图 1、图 2、图 3 示意图）

应用实例：下一代电机驱动器

采用单芯片架构可显著提升系统性能、降低整机功耗。在电机驱动系统中，控制环刷新速率是核心性能指标。

同规格条件下，SoC FPGA 的控制环速度可达传统多芯片方案的 20 倍，环路运算耗时从 100 微秒缩短至 5 微秒。效率随之大幅提升，进而显著降低整机长期运行成本。

实测案例中，这款 SoC FPGA 整机功耗相比传统三芯片方案降低约 37%。

（图 4a、图 4b 示意图）

SoC FPGA 可将多路驱动电路集成至单芯片，减少外围器件，从而降低系统整体物料成本。

案例中，单颗 SoC FPGA 可同时驱动两台电机，而传统多芯片方案一颗器件仅能驱动一台电机。相比为每台电机单独配置一套多芯片方案，单芯片双电机方案整体成本降低约 53%。

同时，FPGA SoC 可便捷扩展支持更多电机通道、集成整套驱动控制系统，并兼容实现多种通信协议。

核心要点

采用 FPGA SoC 技术的设计团队，能够同时提升系统性能与灵活性。

硬核 IP 具备高性能、低功耗、高集成度优势；片内 FPGA 可编程逻辑阵列支持研发阶段与现场应用阶段的快速设计迭代及功能定制。

现场可编程硬件平台，搭配成熟完善、自动化程度高的设计与软件开发工具，可让企业基于商用芯片快速开发定制化 SoC，开发周期远短于 ASIC 与传统多芯片方案。

设计成果具备灵活可配置、可在线升级、可复用的特性，帮助企业快速适配新兴市场、更迭的行业标准与先进工艺节点，有效延长产品生命周期。

当前嵌入式系统需求已来到发展拐点，基于 FPGA 的 SoC 已成为可行且具备显著优势的选型方向。

融合硬核处理器与可编程逻辑的 SoC FPGA，能够帮助设计人员攻克各类复杂系统设计难题，同时实现更快上市节奏、平衡成本与性能、拉长产品使用寿命。

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