在嵌入式系統(tǒng)中用FPGA進(jìn)行開(kāi)發(fā)的幾個(gè)發(fā)展方向

顧名思義，嵌入式系統(tǒng)指的是嵌入到系統(tǒng)內(nèi)部的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，是面向特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。早期的嵌入式系統(tǒng)一般是以通用處理器或?yàn)楹诵?，在外圍電路中加入存?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(lái)越小，而功能卻越來(lái)越強(qiáng)。

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(wú)法滿(mǎn)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。

是通過(guò)邏輯組合來(lái)實(shí)現(xiàn)各種功能的器件，幾乎可以進(jìn)行任何類(lèi)型的處理；對(duì)于常用的數(shù)字信號(hào)處理，有些專(zhuān)門(mén)還提供了DSP模塊來(lái)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(wú)法滿(mǎn)足要求時(shí)，還可以通過(guò)使用同樣封裝且容量更大的FPGA芯片來(lái)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(wú)須對(duì)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(mǎn)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(guò)邏輯組合來(lái)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、、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(kāi)發(fā)的角色，在消費(fèi)類(lèi)電子等更廣大的市場(chǎng)中遲遲未打開(kāi)局面。

隨著和競(jìng)相采用新的制造工藝，其單位門(mén)電路的價(jià)格下降得比還要快，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(mǎn)足要求的器件，他們就必須自己開(kāi)發(fā)芯片，或者用FPGA進(jìn)行設(shè)計(jì)。但開(kāi)發(fā)的成本和風(fēng)險(xiǎn)在不斷提高，甚至超過(guò)了未來(lái)的收益，用FPGA就成了一個(gè)非常實(shí)際的選擇。

開(kāi)發(fā)流程的演進(jìn)

傳統(tǒng)嵌入式系統(tǒng)的開(kāi)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(kāi)發(fā)工具進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。這樣做的結(jié)果是軟件開(kāi)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(kāi)發(fā)。

在用FPGA進(jìn)行開(kāi)發(fā)時(shí)，開(kāi)發(fā)人員首先要設(shè)計(jì)輸入(FPGA廠商專(zhuān)用工具+語(yǔ)言/原理圖+IP )，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)，如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)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(wèn)題：設(shè)計(jì)可移植性差，語(yǔ)言的不足及IP 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(zhuān)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(kāi)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(kāi)發(fā)和調(diào)試，到最后的調(diào)試，在整個(gè)過(guò)程中要用到多個(gè)廠商的不同工具，不但需要開(kāi)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(kāi)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(chēng)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(méi)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(kāi)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/)的設(shè)計(jì)、片上可編程嵌入式系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)和實(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(wú)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(kù)，改善的編輯、查詢(xún)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(lái)源于FPGA器件商的引腳約束文件，同時(shí)提供對(duì)引腳名稱(chēng)和電氣類(lèi)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、、AutoCAD和軟件的文件導(dǎo)入和導(dǎo)出功能；完整的ODB++/Gerber CAM-系統(tǒng)使得用戶(hù)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(hù)可以用圖形化的方式來(lái)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(guò)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 ，支持通用IP 的設(shè)計(jì)，并且支持第三方提供的IP 。通過(guò)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(kāi)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(kāi)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(wú)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(zhuān)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(kāi)發(fā)板

同軟件定位不同一樣，目前眾多的硬件開(kāi)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(kāi)發(fā)板，為了市場(chǎng)推廣和銷(xiāo)售的需要，他們也和一些大的經(jīng)銷(xiāo)商合作推出開(kāi)發(fā)板，更容易利用經(jīng)銷(xiāo)商在價(jià)格和渠道上的優(yōu)勢(shì)。

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

圖1 FX PCI 開(kāi)發(fā)套件

找到精確滿(mǎn)足開(kāi)發(fā)人員需求的FPGA開(kāi)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(guò)子卡添加多種功能，滿(mǎn)足FPGA開(kāi)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(hù)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，采用公司高性能的QTE/QSE。

視頻預(yù)處理模塊的輸入兼容DVI、VGA、，輸出支持DVI、VGA、，具有圖像、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評(píng)估板上，支持和并行接口評(píng)估板，可連到、Virtex-5和Spartan-DSP基板上。

Altium公司的NanoBoard開(kāi)發(fā)板支持的范圍更廣，包括、、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(guò)打印接口與用戶(hù)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(guò)更換子板來(lái)調(diào)試不同的FPGA。

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(hù)開(kāi)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(pán)和接口、多用戶(hù)I/O接口。用戶(hù)在一塊板子上就可以完成整個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證，通過(guò)更換子卡，可以試用各廠商的不同器件，找到性?xún)r(jià)比最佳的器件，而不必重復(fù)購(gòu)買(mǎi)開(kāi)發(fā)板。

圖2 NanoBoard-NB2開(kāi)發(fā)板

隨著FPGA的制造工藝向65nm、45nm和更先進(jìn)的工藝發(fā)展，F(xiàn)PGA的器件成本會(huì)越來(lái)越低。為了取得差異化的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)廠商必須開(kāi)發(fā)出獨(dú)特的產(chǎn)品功能，但采用和ASIC都只能提供固定的有限功能，而開(kāi)發(fā)ASIC的巨大成本和風(fēng)險(xiǎn)又使得ASIC只能成為少數(shù)大公司的選擇。成本不斷下降的FPGA已經(jīng)成為大多數(shù)系統(tǒng)廠商的不二之選，但在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程中軟硬件的不同步、需要交叉使用多個(gè)軟件、硬件開(kāi)發(fā)板的支持范圍有限，可能成為阻礙更多采用FPGA的問(wèn)題。Altium公司的Altium Designer是業(yè)界首個(gè)提供了一體化設(shè)計(jì)環(huán)境的開(kāi)發(fā)工具，如果有更多的廠商參與開(kāi)發(fā)類(lèi)似的軟件工具，并不斷提高易用性和性能，才能真正將這種設(shè)計(jì)理念推廣到更廣的應(yīng)用領(lǐng)域。