為什么嵌入式工程師要用FPGA？

在一個領(lǐng)域中，如果唯一不變的是變化，那么不需要對電子技術(shù)和設(shè)計方法的發(fā)展變化做多少回顧，就能見證到變化是如何使設(shè)計工程師能夠創(chuàng)建出下一代創(chuàng)新產(chǎn)品。微處理器得到大規(guī)模應(yīng)用后，價廉物美的新技術(shù)為基于軟件的革新性電子產(chǎn)品設(shè)計打開了大門，這就是一個很好的例子。簡言之，把設(shè)計的主要元素——在這兒是控制“智能”——轉(zhuǎn)入到軟領(lǐng)域后，設(shè)計工程師就可以在更短時間內(nèi)創(chuàng)建出更好、更智能、更廉價的產(chǎn)品。

這個變化意味著嵌入式軟件開發(fā)人員是當(dāng)今定義電子產(chǎn)品功能和特性的主要推動者，并且最終將把硬件生產(chǎn)出來。該方法的成功因素在于減少硬件復(fù)雜度和把設(shè)計的控制元素轉(zhuǎn)變到可編程領(lǐng)域帶來的開放靈活性。

今天，大容量、低成本可編程器件的到來給電子產(chǎn)品設(shè)計的發(fā)展帶來了同樣的希望，因為在軟領(lǐng)域定義系統(tǒng)硬件本身已經(jīng)成為可能。諸如大容量這樣的大規(guī)模器件對滿足這一需求十分理想。這些期間一般可用于構(gòu)建系統(tǒng)外設(shè)邏輯功能塊的大件部分，包括總線接口、I/O塊、甚至內(nèi)存。把大量邏輯引入領(lǐng)域?qū)τ布_發(fā)具有深遠(yuǎn)影響，并為‘軟’設(shè)計的新時代打開了一扇大門，這為設(shè)計提供了前所未有的靈活性，同時具有減少板級尺寸和復(fù)雜性的無窮潛力。

雖然它具有對電子產(chǎn)品開發(fā)過程起到革命性作用的潛力，但多數(shù)嵌入式軟件開發(fā)人員仍像以前一樣工作——在設(shè)計流程的開始階段選擇分立的硬件處理器、創(chuàng)建物理平臺，然后寫軟件使用該平臺。人們在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的“軟”硬件領(lǐng)域缺乏探索，主要原因在于缺少讓C程序員在可編程硬件級發(fā)揮技巧的工具。確實，當(dāng)前多數(shù)設(shè)計流主要都來自芯片設(shè)計領(lǐng)域，需要非常專業(yè)的技巧。

把軟設(shè)計提升一個水平

要超越FPGA膠合邏輯應(yīng)用需要更廣闊的視野，包括充分利用可編程器件，把盡可能多的硬件引入到軟領(lǐng)域中。這包括引入處理器功能本身，今天，F(xiàn)PGA內(nèi)的軟處理器正越來越多地轉(zhuǎn)變成嵌入式平臺。從根本上說，改用帶FPGA的軟處理器會帶來結(jié)構(gòu)靈活性、板卡尺寸更小、更簡單的優(yōu)點。但深層次的應(yīng)用會帶來更吸引人的優(yōu)點。

當(dāng)利用了FPGA的可編程特性獲得處理器頂層的抽象層時，就為嵌入式開發(fā)人員打開了無限可能，——不僅在軟件中實現(xiàn)抽象級設(shè)計，而且在硬件中也實現(xiàn)了。試想這樣一個系統(tǒng)：處理器通過可配置硬件(本質(zhì)上是一個硬件包裹)與其內(nèi)存和外設(shè)連接——這就抽象了處理器的接口。簡單地對FPGA重新編程就改變了硬件包裹，系統(tǒng)設(shè)計師可以輕易地改變處理器內(nèi)核，甚至在硬的或軟的處理器之間轉(zhuǎn)換，無需修改其他系統(tǒng)硬件。從系統(tǒng)的角度來看，所有處理器都是相似的，這就簡化了硬件設(shè)計流程。當(dāng)然，把這延伸到應(yīng)用軟件領(lǐng)域也需要可以在處理器之間提供C級別兼容性的編譯器。

這種系統(tǒng)的優(yōu)點是不需要“事先”對處理器做出選擇。系統(tǒng)可能是使用某種處理器開發(fā)的，但是開發(fā)階段發(fā)現(xiàn)需要更高的性能，又采用了更快的器件。由于包裹層的原因，處理器可以是軟的、硬的、甚至是FPGA內(nèi)部的硬件處理器內(nèi)核，而不會影響周圍的硬件，因為轉(zhuǎn)換層僅僅創(chuàng)建出連接外設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)接口。實際上外設(shè)器件本身的連接可以相同方式抽象。在這個方案中，F(xiàn)PGA為嵌入式系統(tǒng)的所有部件提供通用的連接性，而有效地成為系統(tǒng)互連結(jié)構(gòu)。換言之，它有效地成為標(biāo)準(zhǔn)接口“骨干”，硬件和軟件都可以輕松與處理器和外設(shè)交流。

最后，在處理器之上引入透明的包裹層會創(chuàng)建出基于FPGA的開發(fā)環(huán)境，提供真正的處理器獨立性。軟件和硬件開發(fā)速度都提高了，處理器選擇可以放到設(shè)計流程的后期進(jìn)行，有效的軟件/硬件協(xié)同設(shè)計成為可能。

軟件和硬件間進(jìn)行轉(zhuǎn)換

在可配置硬件中創(chuàng)建處理器和外設(shè)包裹層的想法的擴(kuò)展就是自動生成應(yīng)用專用的系統(tǒng)硬件，在硬件中執(zhí)行軟件算法——一種‘自己的’硬件協(xié)處理器。

從C代碼中直接生成硬件的想法并不新鮮，有幾個系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)，到現(xiàn)在為止的想法是希望通過C類語言創(chuàng)建完整的系統(tǒng)硬件。在本質(zhì)上，這與使用HDL(如VHDL 或Verilog)設(shè)計FPGA沒有什么不同，需要軟件開發(fā)人員學(xué)習(xí)和采用新的設(shè)計方法。真正對嵌入式開發(fā)人員有用的是使流程透明。設(shè)計工具必須要能夠處理標(biāo)準(zhǔn) ANSI C代碼的輸入，把程序員選擇的功能轉(zhuǎn)換為硬件。不僅如此，系統(tǒng)必須要能夠生成使用生成硬件所需的所有代碼。嵌入式程序員以這種方式把專用算法從處理器卸載到專用硬件上，無需了解底層硬件的任何設(shè)計細(xì)節(jié)。

利用FPGA的全部潛力

很明顯，從工具角度來說充分利用可編程器件(如FPGA)帶來的機(jī)會需要一個提高開發(fā)流程抽象級別的系統(tǒng)，這樣設(shè)計的核心元素可通過類似的設(shè)計技術(shù)和流程輕松改變。這樣的系統(tǒng)必須能夠統(tǒng)一整個電子產(chǎn)品開發(fā)過程，在單一、一致的環(huán)境中將硬件、軟件和可編程硬件開發(fā)綜合在一起。

Altium Designer 引入簡單、高層次的處理器實現(xiàn)這一目標(biāo)，滿足軟件、FPGA和 PCB要求，一體化的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境在單一應(yīng)用中把所有需要的流程綜合在一起(圖1)。硬件和軟件開發(fā)統(tǒng)一在平臺級 ，使快速軟件/硬件協(xié)同設(shè)計成為可能。通過基于 FPGA的處理器和處理器包裹內(nèi)核，設(shè)計師可以定位于Altium Designer 或任意受支持的第三方處理器，同時保留設(shè)計的全部功能，包括與 FPGA外設(shè)的方便連接。Altium Designer基于 Viper的編譯器保證在系統(tǒng)支持的所有處理器結(jié)構(gòu)間C級別代碼的兼容性。