ARM、FPGA與可編程模擬電路設(shè)計(jì)的單芯片技術(shù)綜合應(yīng)用

如果世上真的有典型或者通用的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，主流半導(dǎo)體公司的產(chǎn)品目錄一定會(huì)薄很多。現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員不僅要從多種處理器架構(gòu)中進(jìn)行選擇(大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)都以處理器內(nèi)核為中心)，而且外設(shè)、通信端口和模擬功能組合的選擇幾乎無(wú)限。而這正好指出了嵌入式應(yīng)用的多樣性所帶來(lái)的問(wèn)題：盡管有如此多的標(biāo)準(zhǔn)端口可供選擇，卻很少有設(shè)計(jì)人員能夠最終實(shí)現(xiàn)單芯片解決方案。他們的選擇往往都是微控制器加大量輔助芯片，其中常常包括一些用以提供微控制器所缺乏的特定邏輯功能的可編程邏輯，和作為實(shí)際信號(hào)接口的模擬IC。

設(shè)計(jì)人員極少實(shí)現(xiàn)單芯片解決方案，原因之一在于他們只能在有限的預(yù)定義功能組合中作出選擇。其它原因還包括應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)變化的靈活性：功能與初始規(guī)格的匹配越精確，往后在項(xiàng)目進(jìn)展過(guò)程中能夠適應(yīng)不斷變化的要求的空間就越小。然而，一旦解決方案要采用多芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)安全性的問(wèn)題就凸顯出來(lái)了。由于芯片間布線板級(jí)暴露，而且MCU代碼和/或FPGA配置數(shù)據(jù)沒(méi)有加密，整個(gè)設(shè)計(jì)便很容易被盜版。

而隨著Actel SmartFusion器件的推出，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以使用單芯片解決方案來(lái)提供期盼已久的可編程邏輯、可編程模擬電路與一個(gè)功能強(qiáng)大的業(yè)界領(lǐng)先32位架構(gòu)微控制器內(nèi)核的結(jié)合。最重要的是，有一個(gè)同樣全面的工具鏈支持該器件的廣泛靈活性(模擬和數(shù)字功能均可定制)與ARM Cortex-M3處理器的軟件可編程性相結(jié)合。

F2: SmartFusion中的可編程模擬模塊(包括：精度為1%的ADC和DAC、多達(dá)3個(gè)采樣頻率為600 Ksps的12位ADC、最多三個(gè)12位第一階sigma delta DAC、 最多10個(gè)50 ns高速比較器以及集成多種溫度、電壓和電流監(jiān)控功能。)

愛(ài)特(Actel)公司在非易失性閃存工藝方面的戰(zhàn)略性投資，帶來(lái)了是三項(xiàng)截然不同的技術(shù)的整合。其優(yōu)勢(shì)相當(dāng)明顯：快閃編程器件把它的可編程邏輯配置數(shù)據(jù)和微控制器程序代碼永久性存儲(chǔ)在片上，因此它能上電即用，而不必等待從鄰近的EEPROM 裝載配置數(shù)據(jù)。而這也大大有助于解決知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)安全性問(wèn)題，因?yàn)榕渲脭?shù)據(jù)不再因器件間的傳送而暴露，從而避免被中途截取或被盜。更進(jìn)一步的保護(hù)是出廠保護(hù)，即閃存一旦被編程就會(huì)被永久性鎖定以防止被讀取，這就是Actel器件上的FlashLock功能。此外，由于基于快閃的IC可對(duì)小批量器件進(jìn)行編程，或是在制造過(guò)程的最后期在系統(tǒng)內(nèi)對(duì)器件編程，故而適合眾多中小型生產(chǎn)規(guī)模的典型嵌入式設(shè)計(jì)。

這種硅工藝技術(shù)還有其它的優(yōu)點(diǎn)。相比純邏輯CMOS工藝，快閃需要高電壓來(lái)編程和擦除，故內(nèi)置有高模擬電壓電平的監(jiān)控能力。愛(ài)特采用的工藝可實(shí)現(xiàn)片上模塊間的隔離(通過(guò)一種三阱結(jié)構(gòu))，允許模擬和數(shù)字模塊并排放置，卻又彼此互不干擾。盡管這是一個(gè)混合信號(hào)環(huán)境，模擬功能仍能夠保持出色的偏移和噪聲等參數(shù)規(guī)格。

F3: 微控制器子系統(tǒng)

在模擬能力方面，SmartFusion器件帶有多達(dá)3個(gè)12位逐次逼近(SAR) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，支持全分辨率500 Ksps工作。其中每個(gè)ADC都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的第一階1位sigma-delta 數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，而且具有500 Ksps的更新速度和高效的12位分辨率。它還有一個(gè)新的可編程元件，就是信號(hào)調(diào)節(jié)模塊(SCB)。SCB由精確的高壓監(jiān)控器、電流監(jiān)控器、溫度監(jiān)控器以及高速(50 ns)比較器組成。高壓監(jiān)控器，亦即有源雙極型預(yù)定標(biāo)調(diào)節(jié)器(ABPS)，能夠提供從-11.5V到+14V的電壓監(jiān)控能力。專門設(shè)計(jì)的電流監(jiān)控器通過(guò)放大外接低阻值感測(cè)電阻上的電壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)電流；而溫度監(jiān)控器則通過(guò)外接二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)溫度。

所有這些模擬功能性在功能性配置和參數(shù)值方面都是完全可編程的，并擁有一個(gè)基于圖形用戶界面(GUI)的軟件環(huán)境，以及眾多用于板上FPGA配置的設(shè)計(jì)工具。

SmartFusion器件包含有多達(dá)500k可編程邏輯門電路，與基于快閃的 ProASIC3 FPGA器件系列一樣。這個(gè)邏輯電路支持350 MHz的系統(tǒng)性能，內(nèi)置容量高達(dá)108 Kb的 SRAM，并擁有大量工作頻率高至350 MHz的數(shù)字I/O，支持LVDS、LVPECL、PCI/PCI-X等接口標(biāo)準(zhǔn)，可驅(qū)動(dòng)高達(dá)24mA的電流。設(shè)計(jì)選擇包括愛(ài)特的HDL(硬件描述語(yǔ)言)工具鏈、Libero集成設(shè)計(jì)環(huán)境，可以硬件創(chuàng)建邏輯功能，或者是在GUI以拖放式(drag-and-drop)操作創(chuàng)建設(shè)計(jì)。這種方法可快速輸入預(yù)定義的IP模塊，這些模塊可能是源于以前設(shè)計(jì)的復(fù)用元件，或者是愛(ài)特提供的函數(shù)庫(kù)內(nèi)的函數(shù)，也可能是第三方供應(yīng)商提供的IP。
 [!--empirenews.page--]

這些芯片上除了一個(gè)基于ARM Cortex-M3的微控制器子系統(tǒng)之外，還有眾多完全可配置邏輯和模擬功能。

相比分立IC，邏輯和線性模塊能夠提供不折不扣的高性能，同樣地，ARM Cortex-M3處理器也是一種全功能全規(guī)格的實(shí)現(xiàn)方案。它是一種已獲全面集成的功能性模塊——是一個(gè)“硬”核，而不是在FPGA邏輯部件上編程的“軟”版本。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)鐘頻率高至100 MHz，性能可達(dá) 125 DMIPS，并帶512 KB 的閃存和64 KB 的 SRAM。它的功能強(qiáng)大，足以運(yùn)行復(fù)雜的算法，比如精度電機(jī)控制，或者甚至好幾個(gè)電機(jī)的多軸控制。另外，在系統(tǒng)管理應(yīng)用中，它能夠管理電壓監(jiān)控、定序(sequencing)、風(fēng)扇控制及相關(guān)“系統(tǒng)內(nèi)務(wù)管理”等多項(xiàng)任務(wù)，同時(shí)仍有充足的容量來(lái)運(yùn)行更高的用戶應(yīng)用級(jí)任務(wù)。作為一個(gè)全功能的ARM Cortex-M3設(shè)計(jì)，它還帶有一系列外設(shè)，包括10/100 以太網(wǎng) MAC 和其它接口，比如SPI、I2C和UART等?；旌闲盘?hào)I/O 線運(yùn)行頻率高達(dá)180 MHz，可驅(qū)動(dòng)6 mA的電流。其它微控制器工程人員常用的功能還包括實(shí)時(shí)時(shí)鐘、看門狗定時(shí)器、8路DMA控制器和外部存儲(chǔ)控制器(用于額外的代碼或數(shù)據(jù)的存儲(chǔ))。為了最大效率地使用硅面積，這套外設(shè)也是“硬連線的”，但設(shè)計(jì)人員能夠通過(guò)使用鄰近的可編程邏輯來(lái)對(duì)之進(jìn)行擴(kuò)展和調(diào)整。ARM Cortex-M3 處理器經(jīng)由相同的5層AHB 總線矩陣結(jié)構(gòu)與FPGA 結(jié)構(gòu)緊密連接，片上外設(shè)連接性能帶寬高達(dá)16 Gbps。

如上所述，SmartFusion架構(gòu)的處理能力顯而易見(jiàn)。此外，SmartFusion架構(gòu)的靈活性優(yōu)勢(shì)還體現(xiàn)在以下事實(shí)中：許多前端處理任務(wù)根本不需要調(diào)用ARM Cortex-M3處理器。與其它片上元件一樣，模擬計(jì)算引擎(ACE)也是一個(gè)全新的概念。ACE是一個(gè)半自治模塊，可在無(wú)需ARM Cortex-M3處理器干預(yù)下執(zhí)行擴(kuò)展模擬預(yù)處理和后處理任務(wù)，比如信號(hào)采集的采樣和排序。

這個(gè)新的器件系列可為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供真正的單芯片工具，其在硬件方面完全可配置，軟件方面完全可編程，并充分利用了ARM架構(gòu)能夠支配的所有代碼設(shè)計(jì)資源。這些芯片還附帶有一整套工具，可以為軟件代碼編寫人員、模擬接口設(shè)計(jì)人員和RTL編程人員等提供一個(gè)熟悉的環(huán)境，而且能夠在這些技術(shù)人員向完整的FPGA、ARM和模擬領(lǐng)域拓展時(shí)予以他們支持。