FPGA在嵌入式系統(tǒng)中的開發(fā)方向

早期的嵌入式系統(tǒng)一般是以通用處理器或單片機(jī)為核心，在外圍電路中加入存儲(chǔ)器、功率驅(qū)動(dòng)器、通信接口、顯示接口、人機(jī)輸入接口等外圍接口，再加上應(yīng)用軟件，有些還加上了嵌入式操作系統(tǒng)，從而構(gòu)成完整的系統(tǒng)。

　　隨著微電子技術(shù)的進(jìn)步，SoC已經(jīng)在很多應(yīng)用中取代了傳統(tǒng)的以單片機(jī)為中心的架構(gòu)，將很多外設(shè)和存儲(chǔ)器集成在一個(gè)芯片中，使系統(tǒng)的功耗和體積越來越小，而功能卻越來越強(qiáng)。

　　FPGA在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用前景

　　現(xiàn)在的MCU和DSP的功能已經(jīng)非常強(qiáng)了，但處理能力畢竟還是有限的，廠商在推出一款器件的時(shí)候，其性能就已經(jīng)固定了。當(dāng)某一款產(chǎn)品的性能無法滿足要求時(shí)，就必須選用新的處理器，常常意味著重新進(jìn)行PCB的設(shè)計(jì)，重新進(jìn)行各項(xiàng)軟硬件的驗(yàn)證測(cè)試，所導(dǎo)致的工程資源的浪費(fèi)是非常驚人的。

　　FPGA是通過邏輯組合來實(shí)現(xiàn)各種功能的器件，幾乎可以進(jìn)行任何類型的處理;對(duì)于常用的數(shù)字信號(hào)處理，有些FPGA專門還提供了DSP模塊來實(shí)現(xiàn)加速;FPGA的并行處理架構(gòu)非常適合圖像處理、數(shù)字信號(hào)處理等運(yùn)算密集的應(yīng)用;用某款芯片無法滿足要求時(shí)，還可以通過使用同樣封裝且容量更大的FPGA芯片來提供更高的處理能力，這樣就可以保持管腳的兼容性，從而無須對(duì)PCB板進(jìn)行修改;FPGA的可編程性使設(shè)計(jì)工程師可以隨時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行修改，即使在產(chǎn)品部署后也能對(duì)設(shè)計(jì)錯(cuò)誤進(jìn)行更正;FPGA不但可以完成MCU和DSP的各種功能，還可以根據(jù)需要生成新的功能，或者調(diào)配各項(xiàng)功能之間的資源配比，使同一個(gè)硬件電路設(shè)計(jì)可以滿足不同的應(yīng)用需求;FPGA還可以利用現(xiàn)成的處理器內(nèi)核，直接生成軟處理器，并在其上運(yùn)行操作系統(tǒng)。

　　由于FPGA是通過邏輯組合來實(shí)現(xiàn)功能的，所以其功耗和成本一般高于MCU和DSP。在幾年前，F(xiàn)PGA給人的印象一直是高高在上的價(jià)格，除了通信、航天、軍工、工業(yè)等少數(shù)行業(yè)，F(xiàn)PGA更多地是在扮演原型驗(yàn)證開發(fā)的角色，在消費(fèi)類電子等更廣大的市場(chǎng)中遲遲未打開局面。

　　隨著Xilinx和Altera競(jìng)相采用新的制造工藝，其單位門電路的價(jià)格下降得比ASIC還要快，價(jià)格在很多應(yīng)用中已不再是障礙了。特別是在一些需要特定功能的應(yīng)用中，設(shè)計(jì)師在市場(chǎng)上找不到可以滿足要求的器件，他們就必須自己開發(fā)ASIC芯片，或者用FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)。但開發(fā)ASIC的成本和風(fēng)險(xiǎn)在不斷提高，甚至超過了未來的收益，用FPGA就成了一個(gè)非常實(shí)際的選擇。

　　開發(fā)流程的演進(jìn)

　　傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)流程是一般先做好硬件平臺(tái)，再在硬件平臺(tái)上面應(yīng)用嵌入式系統(tǒng)開發(fā)工具進(jìn)行軟件開發(fā)。這樣做的結(jié)果是軟件開發(fā)人員必須在硬件設(shè)計(jì)完成后才能工作，或者是用各種仿真工具在虛擬的硬件平臺(tái)上進(jìn)行開發(fā)。

　　在用FPGA進(jìn)行開發(fā)時(shí)，開發(fā)人員首先要設(shè)計(jì)輸入(FPGA廠商專用工具+語言/原理圖+IP CORE)，然后編譯仿真(FPGA廠商工具+仿真工具)，再進(jìn)行板級(jí)調(diào)試(測(cè)試板制作+邏輯分析儀)，如果發(fā)現(xiàn)問題，再循環(huán)進(jìn)行上面的環(huán)節(jié)。

　　這種設(shè)計(jì)模式存在諸多問題：設(shè)計(jì)可移植性差，語言的不足及IP CORE的費(fèi)用昂貴，系統(tǒng)仿真的可靠性及速度瓶頸，需要制作專用測(cè)試板，外接測(cè)試儀器的局限性，測(cè)試板的重復(fù)制作導(dǎo)致開發(fā)周期延長(zhǎng)。

　　此外，從原理圖設(shè)計(jì)、邏輯驗(yàn)證和仿真、電路板設(shè)計(jì)、嵌入式軟件的開發(fā)和調(diào)試，到最后的綜合調(diào)試，在整個(gè)過程中要用到多個(gè)廠商的不同工具，不但需要開發(fā)人員掌握各個(gè)軟件的使用方法和技巧，僅僅從資本投入上就是一筆不小的開支。而且，各個(gè)軟件之間還經(jīng)常要互相調(diào)用文件，盡管各個(gè)廠商都宣稱自己的軟件可保證兼容性，但軟件日益復(fù)雜的功能和不斷增長(zhǎng)的代碼讓人難以對(duì)兼容性完全放心。

　　有沒有一個(gè)能完成整個(gè)FPGA嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一體化開發(fā)環(huán)境呢?有，這就是Altium Designer6.0，該軟件的前身就是被電子工程師所廣為熟知的Protel，直到現(xiàn)在，還有大量的工程師在用Protel進(jìn)行PCB板設(shè)計(jì)。Altium Designer由三部分組成：Foundation是電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)前端，包含了原理圖輸入、電路仿真和驗(yàn)證、PCB及CAM文檔資料瀏覽功能;Board Implementation可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)板級(jí)電路設(shè)計(jì)、驗(yàn)證及CAM文檔編輯功能;Embedded Intelligence Implementation是基于大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?FPGA/CPLD)的數(shù)字電路設(shè)計(jì)、片上可編程嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)和數(shù)字電路實(shí)時(shí)驗(yàn)證功能。

　　Altium Designer拓寬了板級(jí)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)界限，將FPGA與PCB設(shè)計(jì)集成在一起，同時(shí)支持原理圖輸入和HDL硬件描述輸入模式;同時(shí)支持基于VHDL的設(shè)計(jì)仿真，混合信號(hào)電路仿真、布局前/后信號(hào)完整性分析。PCB版圖設(shè)計(jì)中的布局布線采用完全規(guī)則驅(qū)動(dòng)模式，并且在PCB布線中采用了無網(wǎng)格的Situs拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線功能;同時(shí)，將完整的CAM輸出功能的編輯結(jié)合在一起。

　　Altium Designer支持PCB與FPGA引腳的雙向同步，提供完善的混合信號(hào)仿真、布線前后的信號(hào)完整性分析功能，提供了對(duì)高密度封裝(如BGA)的交互布線功能。

　　在原理圖部分，Altium Designer新增的特性包括：文件管理功能，多層次、多通道的原理設(shè)計(jì)，可自動(dòng)標(biāo)注元器件，F(xiàn)PGA引腳配置導(dǎo)入，原理圖環(huán)境中的PCB規(guī)則定義，豐富的集成庫，改善的編輯、查詢和可視化。

　　FPGA引腳配置導(dǎo)入功能允許管腳約束文件，管腳定義可以直接來源于FPGA器件商的引腳約束文件，同時(shí)提供對(duì)引腳名稱和電氣類型定義的支持;不再?gòu)?qiáng)調(diào)必須在Altium Designer環(huán)境下完成包括FPGA內(nèi)部邏輯電路設(shè)計(jì)在內(nèi)的一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

　　在PCB部分提供了完整的由規(guī)則驅(qū)動(dòng)的PCB設(shè)計(jì)環(huán)境;支持高速設(shè)計(jì)，具有成熟的布線后信號(hào)完整性分析工具;支持差分對(duì)布線;支持BGA封裝器件的逃溢式扇出功能;支持漢字輸入;支持任意可配置引腳定義器件的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化功能;Orcad、PADS、AutoCAD和其他軟件的文件導(dǎo)入和導(dǎo)出功能;完整的ODB++/Gerber CAM-系統(tǒng)使得用戶可以重新設(shè)計(jì)原有的設(shè)計(jì)，彌補(bǔ)設(shè)計(jì)和制造之間的差異。PCB部分還支持布局優(yōu)化、布線功能優(yōu)化、PCB板的3D顯示、FPGA的全面協(xié)同、CAM輸出。

　　Altium Desigenr內(nèi)嵌的仿真軟件兼容XSPICE/PSPICE電路仿真模型，它能將仿真結(jié)果以波形的方式顯示，可進(jìn)行混合電路仿真和仿真波形顯示，支持多種仿真模型。在信號(hào)完整性分析部分，提供了消除反射和串?dāng)_分析功能，

　　在Altium Designer中，用戶可以用圖形化的方式來完成整個(gè)設(shè)計(jì)流程，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用FPGA廠商提供的工具進(jìn)行布局布線，設(shè)計(jì)環(huán)境中的集中過程控制和監(jiān)測(cè)功能使得信息能夠得到及時(shí)反饋從而實(shí)現(xiàn)交互式設(shè)計(jì)與調(diào)試。

　　使用“虛擬儀器”元件，工程師可以在原理圖級(jí)將“虛擬儀器”連入設(shè)計(jì);FPGA編程后，可以從外部控制;可以實(shí)時(shí)觀察FPGA發(fā)生的情況;調(diào)試時(shí)使用JTAG邊界掃描檢驗(yàn)FPGA的信號(hào);用Nexus協(xié)議和虛擬儀器進(jìn)行通信并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試。

　　Altium Designer還提供了大量通用的預(yù)驗(yàn)證的IP Core，支持通用IP Core 的設(shè)計(jì)，并且支持第三方提供的IP Core 。通過與Nanoboard NB1系統(tǒng)驗(yàn)證板的結(jié)合，可進(jìn)行實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)獨(dú)立于目標(biāo)器件的FPGA設(shè)計(jì)。

　　Altium公司的這種設(shè)計(jì)方法，將硬件、軟件和可編程硬件等領(lǐng)域均被統(tǒng)一在單一的開發(fā)系統(tǒng)內(nèi)，可以完全控制和同步從概念構(gòu)想到完成實(shí)施的整個(gè)設(shè)計(jì)流程。

　　這種一體化開發(fā)流程的缺點(diǎn)是，盡管非常方便易用，但軟件的各個(gè)部分在性能和功能上無法全部做到領(lǐng)先，在驗(yàn)證、功能設(shè)計(jì)、PCB設(shè)計(jì)等方面要弱于一些專業(yè)性的或FPGA廠商自己的軟件，在需要針對(duì)器件進(jìn)行非常細(xì)致的優(yōu)化以取得最佳性能時(shí)，Altium Designer就未必是最佳選擇了。定位不同的硬件開發(fā)板同軟件定位不同一樣，目前眾多的硬件開發(fā)電路板的市場(chǎng)定位也是不同的。主流的FPGA廠商均推出了自己的開發(fā)板，為了市場(chǎng)推廣和銷售的需要，他們也和一些大的經(jīng)銷商合作推出開發(fā)板，更容易利用經(jīng)銷商在價(jià)格和渠道上的優(yōu)勢(shì)。

　　Xilinx公司的主要經(jīng)銷商安富利公司開發(fā)了很多FPGA開發(fā)板，在功能上更加豐富，在定價(jià)和促銷上也更靈活。如，安富利推出的Virtex-4 FX PCI Express開發(fā)工具套件和Virtex-5 LX開發(fā)工具套件。　

　　圖 Virtex-4 FX PCI Express開發(fā)套件

　　找到精確滿足開發(fā)人員需求的FPGA開發(fā)基板是非常困難的，在基板上添加子板是一個(gè)不錯(cuò)的方法。安富利推出的EXP擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)使設(shè)計(jì)人員在原型設(shè)計(jì)時(shí)候可以通過子卡添加多種功能，滿足FPGA開發(fā)板的不同要求，免費(fèi)提供給設(shè)計(jì)工程師用于定制基本板和擴(kuò)展模塊。使用EXP模塊的好處是成本低、靈活性高、易于制作原型。在結(jié)構(gòu)上，半長(zhǎng)EXP模塊可提供84個(gè)用戶I/O、32個(gè)單端信號(hào)、22個(gè)差分信號(hào)、單端時(shí)鐘輸入和輸出、差分時(shí)鐘輸入和輸出，單端和差分信號(hào)的最高頻率分別是200MHz和700MHz。

　　安富利提供的EXP模塊包括：視頻預(yù)處理模塊、高速ADC模塊、高速DAC模塊、ADI公司的EXP適配器模塊。有全長(zhǎng)(126mm×80mm)和半長(zhǎng)(108mm×80mm)兩種尺寸，采用Samtec公司高性能的QTE/QSE連接器。

　　視頻預(yù)處理模塊的輸入兼容DVI、VGA、S-Video，輸出支持DVI、VGA、LCD，具有圖像傳感器、音頻輸入和輸出。高速ADC EXP模塊采用TI的12位、50MS/s ADC，帶有14位的LVDS接口，用兩塊卡可以支持雙通道。高速DAC模塊采用TI的雙通道、16位分辨率、采樣率為1GS/s、帶16位LVDS接口的DAC。還有支持ADI公司器件的EXP適配器模塊，可以很方便地連接到90多種ADC*估板上，支持LVDS和并行接口*估板，可連到Virtex-4、Virtex-5和Spartan-DSP基板上。

　　Altium公司的NanoBoard開發(fā)板支持的范圍更廣，包括Xilinx、Altera、Actel等公司的眾多FPGA型號(hào)，與FPGA組成了可重新配置的系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺(tái);NanoBoard通過打印電纜接口與用戶PC進(jìn)行通信，支持硬件設(shè)計(jì)的下載和實(shí)現(xiàn)Live設(shè)計(jì)驗(yàn)證功能。NanoBoard還支持可插拔的FPGA子板，可以通過更換子板來調(diào)試不同的FPGA。

　　圖 NanoBoard-NB2開發(fā)板

　　NanoBoard的板上資源包括：CAN總線接口、串行口、VGA接口、顯示鏈輸入輸出、外部存儲(chǔ)器、I2C接口、連接用戶開發(fā)板接口、連接FPGA子板的插座、系統(tǒng)時(shí)鐘、JTAG接口、PS2鍵盤和鼠標(biāo)鼠標(biāo)接口、多用戶I /O接口。用戶在一塊板子上就可以完成整個(gè)系統(tǒng)的開發(fā)和驗(yàn)證，通過更換子卡，可以試用各廠商的不同器件，找到性價(jià)比最佳的器件，而不必重復(fù)購(gòu)買開發(fā)板。