FPGA如何改變嵌入設(shè)計(jì)格局

　　由于經(jīng)濟(jì)下滑損及開發(fā)預(yù)算減少，嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)者正在轉(zhuǎn)向FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)技術(shù)，以縮減開發(fā)周期、對(duì)抗設(shè)備老化以及簡(jiǎn)化產(chǎn)品升級(jí)。通過采用數(shù)量龐大且不斷增加的FPGA開發(fā)工具、可重用邏輯單元以及市售商用模塊，設(shè)計(jì)者可以構(gòu)思出高性能嵌入系統(tǒng)，并且能夠根據(jù)需求變化作重新配置，從而盡量減少對(duì)工程和制造的影響。過去，電路板設(shè)計(jì)者使用這些器件作系統(tǒng)元件之間的互連，但最新的高密度產(chǎn)品也可以替代一個(gè)典型嵌入項(xiàng)目中的處理器、內(nèi)存、定制邏輯及很多外設(shè)。盡管它有能力改變嵌入架構(gòu)，設(shè)計(jì)者仍應(yīng)分析性能、功率和成本局限，以確定FPGA技術(shù)最適用的地方。

　　自20世紀(jì)70年代可編程邏輯陣列出現(xiàn)以來，F(xiàn)PGA技術(shù)已發(fā)展成為一個(gè)興旺的市場(chǎng)。盡管每家供應(yīng)商FPGA的精確結(jié)構(gòu)不同，但基本FPGA架構(gòu)都包含了有電可編程互連的邏輯塊陣列，用戶或設(shè)計(jì)者可以在制造以后作配置。早期的器件有數(shù)千個(gè)等效門，但今天這一數(shù)量已增長到數(shù)百萬。這種互連靈活性使設(shè)計(jì)者能夠建立準(zhǔn)確匹配于特定嵌入應(yīng)用需求的硬件功能。除了邏輯塊以外，最新器件還在硅片中嵌入專用處理器，使設(shè)計(jì)者能夠作出軟硬件權(quán)衡，滿足性能的需求。

　　在相符合的嵌入應(yīng)用中，F(xiàn)PGA技術(shù)為開發(fā)人員提供了多種針對(duì)分立實(shí)現(xiàn)或定制邏輯實(shí)現(xiàn)的優(yōu)勢(shì)。很多有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)者在說到自己采用FPGA的主要原因時(shí)，都會(huì)提到較短的開發(fā)日程、更低的非重復(fù)成本以及量產(chǎn)后合并改動(dòng)的能力。在高性能應(yīng)用中，設(shè)計(jì)者可以建立多個(gè)并行的計(jì)算結(jié)構(gòu)，其性能超過專用處理器。FPGA有一個(gè)經(jīng)常被提及的缺點(diǎn)，那就是與通用處理器或定制ASIC相比需要更多的功耗。同樣，由于存在多個(gè)導(dǎo)通晶體管和連接路徑的電阻，采用FPGA的產(chǎn)品也慢于相比的普通設(shè)計(jì)。雖然沒有考慮其他方案的開發(fā)時(shí)間，但FPGA技術(shù)的重復(fù)成本高于普通電路或定制電路。

　　FPGA采用多種技術(shù)作互連和邏輯塊的編程。例如，反熔絲硅結(jié)構(gòu)(antifuse-silicon)在其兩端施加一個(gè)高電壓時(shí)，會(huì)建立一個(gè)低電阻的鏈接。其優(yōu)點(diǎn)包括低串聯(lián)電阻和低寄生電容，但主要缺點(diǎn)是采用反熔絲的FPGA是一次寫入器件，因此無法重新配置。最常見的編程技術(shù)是靜態(tài)RAM單元，通過使能和禁止導(dǎo)通晶體管而對(duì)FPGA結(jié)構(gòu)編程。雖然要多個(gè)晶體管才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)存儲(chǔ)單元，但SRAM有快速的可重編程能力，并且可以用常規(guī)的硅CMOS技術(shù)來實(shí)現(xiàn)?；赟RAM的FPGA還需要一個(gè)外部引導(dǎo)器件，在上電時(shí)設(shè)定存儲(chǔ)器。另外也可以用EPROM、EEPROM和閃存技術(shù)作FPGA編程，優(yōu)點(diǎn)也是可重復(fù)編程能力，而無需外接引導(dǎo)器件。

　　制造商也創(chuàng)造出多種對(duì)FPGA電路作描述和編程的方法。最常見的方法是采用一種HDL(硬件描述語言)，如Verilog或VHDL(超高速集成電路HDL)，描述一個(gè)設(shè)計(jì)的功能和結(jié)構(gòu)。一旦定義了架構(gòu)，就可以用另外的工具在一款規(guī)定的FPGA上實(shí)現(xiàn)這個(gè)結(jié)構(gòu)。這個(gè)過程包括了電源與結(jié)構(gòu)優(yōu)化，然后是硬件分區(qū)、布局以及互連的布線。最后階段是將設(shè)計(jì)裝入目標(biāo)FPGA，在真實(shí)的硬件環(huán)境中作測(cè)試。

圖1 National Instruments公司的嵌入軟件評(píng)估工具套件使用戶能夠從一個(gè)圖形化的框圖，創(chuàng)建、編譯和運(yùn)行FPGA應(yīng)用

　　隨著FPGA功能伴隨復(fù)雜性和密度而增長，設(shè)計(jì)者發(fā)明了各種方式來交換HDL代碼的模塊化塊，這樣其他人就可以整合到自己產(chǎn)品中。這些功能塊一般叫做IP(知識(shí)產(chǎn)權(quán))核心，它使制造商能夠重新使用以前設(shè)計(jì)中的電路部件，或只要簡(jiǎn)單地從外部購買功能。IP核心的實(shí)例包括UART、以太網(wǎng)接口、編解碼器和微控制器等。制造商直接在一個(gè)FPGA硅片上物理地實(shí)現(xiàn)硬IP核心，并以HDL代碼形式提供軟核心，它可以跨多種器件作移植。IP核心可從FPGA供應(yīng)商和第三方供應(yīng)商處直接獲得，或從Open Cores等來源的免費(fèi)開源HDL代碼獲得。商用IP通常要付費(fèi)，并包括有文檔、驗(yàn)證工具和支持。

　　對(duì)一些FPGA開發(fā)者來說，設(shè)計(jì)安全性與IP損失可能是一個(gè)主要考慮因素。在有些情況下，尤其是那些在外部保存配置數(shù)據(jù)，并在上電時(shí)將其傳送給FPGA的SRAM型設(shè)計(jì)，IP信息比較脆弱。為防止IP損失，F(xiàn)PGA供應(yīng)商采用非易失性編程技術(shù)以及嵌入序列號(hào)來跟蹤偽造產(chǎn)品。

　　所有FPGA供應(yīng)商都提供一個(gè)工具集，包括編程工具和與器件配套的IP。例如，Xilinx公司的Virtex-5 FX70T版EDK(嵌入開發(fā)套件)，提供了一個(gè)ML507開發(fā)板、Platform Studio嵌入工具組件以及ISE(集成軟件環(huán)境)，支持PowerPC 440硬處理器和MicroBlaze軟處理器(圖1)。該套件具有一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境、多種軟件工具、配置向?qū)?，以及IP目標(biāo)的嵌入設(shè)計(jì)。用戶可以在邏輯圖編輯器中輸入一個(gè)電路，對(duì)電路時(shí)序性能作仿真，對(duì)Virtex-5 FPGA作編譯，然后在ML507原型板上測(cè)試設(shè)計(jì)。Virtex-5 FX70T EDK可以在線購買，價(jià)格為2595美元。

　　圖形設(shè)計(jì)

　　FPGA開發(fā)工具也可以從第三方供應(yīng)商和嵌入板制造商處獲得。例如，National Instruments公司最近推出了一款采用FPGA的單板RIO(可配置I /O)模塊，適用于嵌入應(yīng)用，同時(shí)還有一個(gè)評(píng)估套件，用其LabView圖形設(shè)計(jì)軟件演示編程技術(shù)。新模塊在一塊8.2英寸×5.6英寸 PCB(印制電路板)上包括了一個(gè)實(shí)時(shí)嵌入處理器和一個(gè)可配置FPGA， 另外還有模擬與數(shù)字I /O。該模塊采用一只266 MHz或400 MHz飛思卡爾MPC5200處理器、Wi n d Ri v e r 公司的VxWorks實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以及一片Xilinx Spartan-3 FPGA。板上的模擬與數(shù)字I/O直接連接到FPGA上，提供對(duì)時(shí)序和I/O信號(hào)處理的低層定制。單板RIO器件的起價(jià)為1000美元(100件以上)。

　　為支持單板RIO，Na t i o n a l Instruments公司還推出了嵌入軟件評(píng)估工具套件， 為嵌入應(yīng)用評(píng)估LabView Real-Time和LabView FPGA的編程經(jīng)驗(yàn)。該套件包括擴(kuò)展的評(píng)估軟件、一個(gè)NI單板RIO評(píng)估器件、一個(gè)用于I /O接口的子板、一個(gè)電源、電纜、一個(gè)分步教程，以及多個(gè)可在LabView中立即運(yùn)行的普通嵌入任務(wù)實(shí)例(圖2)。該套件包括多個(gè)練習(xí)，通過在LabView中構(gòu)建和微調(diào)圖形化塊圖，學(xué)習(xí)創(chuàng)建、編譯和運(yùn)行FPGA應(yīng)用。LabView嵌入平臺(tái)評(píng)估套件的90天版本價(jià)格為999美元。

　　越來越多的商用電路板制造公司正在采用FPGA技術(shù)滿足復(fù)雜的設(shè)計(jì)需求，并允許作未來的修改。

　　例如，Quantum3D承諾在安全與保密關(guān)鍵應(yīng)用中提供不過時(shí)的硬件，如主要的飛行儀表和MLS(多層安全)系統(tǒng)，它采用的是新型Sentiris AV1 PCI XMC(express mezzanine card)(圖3)。供應(yīng)商采用了一個(gè)基于FPGA視頻與圖像處理核心的組合，而不是傳統(tǒng)的專用GPU(圖形處理單元)。雖然Sentiris AV1最初設(shè)計(jì)用于飛行認(rèn)證的圖像生成應(yīng)用，但它也適用于其他用途，如醫(yī)療應(yīng)用中的實(shí)時(shí)圖像。該產(chǎn)品有模擬與HD-SDI(高清晰串行數(shù)字接口)視頻輸出，其視頻與圖形處理能力可實(shí)現(xiàn)駕駛室和關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用中的3D圖像。Sentiris AV1提供512MB的ECC保護(hù)DDR2內(nèi)存、雙HD-SDI輸出，以及八通路的PCIe(外設(shè)部件快速互連)。Sentiris AV1的起價(jià)為9980美元。

圖2 Quantum3D公司的Sentiris AV1 PCIexpress中間卡集成了一個(gè)FPGA視頻與圖形處理核心，以應(yīng)對(duì)設(shè)備更新問題

　　FPGA技術(shù)有出色的并行處理能力，因此很適合于高性能、多通道應(yīng)用，如軟件無線電、數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。例如，Pentek最近推出了Model 7151高分辨率軟件無線電模塊，用于GSM(全球移動(dòng)系統(tǒng))通信手機(jī)監(jiān)控以及信號(hào)智能應(yīng)用(圖4)。四個(gè)200MHz、16 bit ADC饋給一個(gè)專有的FPGA IP核心，它提供256個(gè)DDC通道(數(shù)字下變頻)。你可以將每組64個(gè) DDC通道配置給一個(gè)特殊的輸出信號(hào)帶寬，以適合需要混合信號(hào)類型或多種調(diào)制方法的應(yīng)用?？梢詮娜魏嗡膫€(gè)ADC中獨(dú)立獲得每個(gè)DDC組，一般分配給特定的天線。Model 7151使用戶能夠同時(shí)捕捉覆蓋一系列調(diào)制方式、信號(hào)帶寬和天線來源的數(shù)百個(gè)信號(hào)。Pentek提供ReadyFlow電路板支持包，為開發(fā)人員提供一個(gè)完備的硬件初始化、控制和應(yīng)用函數(shù)庫，用于Linux、Windows或VxWorks操作系統(tǒng)。Model 7151 PMC(PCI中間卡)模塊版的價(jià)格為14500美元。

圖3 Pentek公司的Model 7151軟件射頻模塊采用了一個(gè)專利的FPGA-IP核心，提供256通道的數(shù)字下變頻

　　嵌入標(biāo)準(zhǔn)

　　嵌入系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化組織也正在采用一種基于FPGA硬件的新設(shè)計(jì)規(guī)范。例如，最近被批準(zhǔn)的VITA(VMEbus國際貿(mào)易協(xié)會(huì)) 57.1 FMC(FPGA中間卡)標(biāo)準(zhǔn)使開發(fā)人員便于將FPGA集成到嵌入系統(tǒng)設(shè)計(jì)中。該規(guī)范定義了在工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中間卡上的I/O設(shè)備，你可以將它們連接到基板上的FPGA上。FPGA直接控制這些設(shè)備。FMC方案使你可以在多個(gè)項(xiàng)目上重用一個(gè)FPGA設(shè)計(jì)，只需要簡(jiǎn)單地替換I/O部分。一個(gè)FMC模塊大約是標(biāo)準(zhǔn)PMC模塊尺寸的一半。Curtiss-Wright公司的下屬企業(yè)Vmetro推出了基于FMC標(biāo)準(zhǔn)的第一款I(lǐng)/O模塊。ADC510現(xiàn)有采用風(fēng)冷和傳導(dǎo)冷卻的堅(jiān)固版，集成了兩個(gè)12 bit、500 MHz ADC芯片，用于數(shù)字信號(hào)處理應(yīng)用，如雷達(dá)、信號(hào)智能和電子對(duì)抗。

　　低成本的市售商用嵌入模塊也采用FPGA技術(shù)，為定制應(yīng)用的設(shè)計(jì)者提供了靈活性。例如，Technologic Systems公司的TS-7370是一種PC/104外形、可接LCD的單板機(jī)，該公司采用了Cirrus公司的EP9302 200 MHz ARM9 CPU和一個(gè)用戶編程的Lattice XP2 FPGA(圖5)。該公司產(chǎn)品可接LCD，因?yàn)镕PGA連接到了一個(gè)專用的RAM幀緩沖，使用戶能夠在FPGA上建立一個(gè)定制視頻核心，為大多數(shù)彩色TFT(薄膜晶體管)LCD面板提供接口。TS-7370支持多種嵌入系統(tǒng)應(yīng)用，其外設(shè)接口包括板載RAM、10/100 Mbps以太網(wǎng)、USB 2.0主機(jī)、串行口、一個(gè)SD(數(shù)字安全)卡槽、ADC通道、數(shù)字I/O線、溫度傳感器，以及一個(gè)實(shí)時(shí)時(shí)鐘。TS-7370開創(chuàng)性地運(yùn)行Linux 2.6，價(jià)格為149美元(100件)。

　　當(dāng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)努力適應(yīng)降低的預(yù)算和增加的系統(tǒng)復(fù)雜度時(shí)，F(xiàn)PGA器件與開發(fā)工具也成為新的嵌入設(shè)計(jì)中的主要考慮因素。FPGA提供用單一硬件設(shè)計(jì)建立多種系統(tǒng)配置的方式?？芍嘏渲闷骷?duì)于高速、多通道系統(tǒng)有特殊的價(jià)值，它的性能需求很難用傳統(tǒng)的微處理器架構(gòu)滿足。雖然FPGA增加的重復(fù)成本和功耗要求限制了它們的應(yīng)用，但中低批量的項(xiàng)目可以受益于減少的風(fēng)險(xiǎn)、縮短的設(shè)計(jì)周期以及最低的非重復(fù)工程，因此FPGA是一種很好的選擇。