基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設計

摘 要： 可編程片上系統(tǒng)設計是一個嶄新的、富有生機的嵌入式系統(tǒng)設計技術研究方向。本文在闡述可編程邏輯器件特點及其發(fā)展趨勢的基礎上，探討了智力產(chǎn)權復用理念、基于嵌入式處理器內核和xilinx FPGA的SOPC軟硬件設計技術，引入了基于英特網(wǎng)可重構邏輯概念并提出了設計實現(xiàn)方法，為基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設計提供了廣闊的思路。

1 概述1.1 FPGA的特點及其發(fā)展趨勢嵌入式系統(tǒng)是一個面向應用、技術密集、資金密集、高度分散、不可壟斷的產(chǎn)業(yè)，隨著各個領域應用需求的多樣化，嵌入式設計技術和芯片技術也經(jīng)歷著一次又一次的革新。雖然ASIC的成本很低，但設計周期長、投入費用高、風險較大，而可編程邏輯器件（Programmable Logical Device）設計靈活、功能強大，尤其是高密度現(xiàn)場可編程邏輯器件（Field Programmable Gate Array）其設計性能已完全能夠與ASIC媲美，而且由于FPGA的逐步普及，其性能價格比已足以與ASIC抗衡。因此，F(xiàn)PGA在嵌入式系統(tǒng)設計領域已占據(jù)著越來越重要的地位。

FPGA的基本結構由以下幾個部分構成：可編程邏輯功能模塊CLB（Configurable Logic Blocks）

可編程輸入輸出模塊IOB（Input/Output Blocks）

可編程內部互連資源PI（Programmable Interconnection）

隨著工藝的進步和應用系統(tǒng)需求，一般在FPGA中還包含以下可選資源：存儲器資源（Block RAM和Select RAM）

數(shù)字時鐘管理單元（分頻/倍頻、數(shù)字延遲）

I/O多電平標準兼容（Select I/O）

算數(shù)運算單元（乘法器、加法器）

特殊功能模塊（MAC等硬IP核）

微處理器（PPC405等硬處理器）

以FPGA為核心的PLD產(chǎn)品是近幾年集成電路中發(fā)展得最快的產(chǎn)品。隨著FPGA性能的高速發(fā)展和設計人員自身能力的提高，F(xiàn)PGA將進一步擴大可編程芯片的領地，將復雜專用芯片擠向高端和超復雜應用。目前FPGA的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面：向更高密度、更大容量的千萬門系統(tǒng)級方向邁進向低成本、低電壓、微功耗、微封裝和綠色化發(fā)展IP資源復用理念將得到普遍認同并成為主要設計方式MCU、DSP、MPU等嵌入式處理器IP將成為FPGA應用的核心隨著處理器以IP的形式嵌入到FPGA中，ASIC和FPGA之間的界限將越來越模糊，未來的某些電路版上可能只有這兩部分電路：模擬部分（包括電源）和一塊FPGA芯片，最多還有一些大容量的存儲器。Xilinx等公司最新一代FPGA：Spartan II/E、Virtex II Pro及其相關IP Core的推出，使我們有理由相信，可編程片上系統(tǒng)（System on Programmable Chip）的時代已經(jīng)離我們不遠了。

1.2可編程片上系統(tǒng)（SOPC）的基本特征可編程片上系統(tǒng)（SOPC）是一種特殊的嵌入式系統(tǒng)：首先它是片上系統(tǒng)（SOC），即由單個芯片完成整個系統(tǒng)的主要邏輯功能；其次，它是可編程系統(tǒng)，具有靈活的設計方式，可裁減、可擴充、可升級，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。

SOPC結合了SOC和FPGA各自的優(yōu)點，一般具備以下基本特征：至少包含一個嵌入式處理器內核具有小容量片內高速RAM資源豐富的IP Core資源可供選擇足夠的片上可編程邏輯資源處理器調試接口和FPGA編程接口可能包含部分可編程模擬電路單芯片、低功耗、微封裝SOPC設計技術實際上涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設計技術的全部內容，除了以處理器和實時多任務操作系統(tǒng)（RTOS）為中心的軟件設計技術、以PCB和信號完整性分析為基礎的高速電路設計技術以外，SOPC還涉及目前以引起普遍關注的軟硬件協(xié)同設計技術。由于SOPC的主要邏輯設計是在可編程邏輯器件內部進行，而BGA封裝已被廣泛應用在微封裝領域中，傳統(tǒng)的調試設備，如：邏輯分析儀和數(shù)字示波器，已很難進行直接測試分析，因此，必將對以仿真技術為基礎的軟硬件協(xié)同設計技術提出更高的要求。同時，新的調試技術也已不斷涌現(xiàn)出來，如Xilinx公司的片內邏輯分析儀Chip Scope ILA就是一種價廉物美的片內實時調試工具。

2 IP資源復用理念與IP Core設計2.1 IP資源復用理念由于芯片設計的復雜性和產(chǎn)品面市時間對于保證終端市場的成功率至關重要，設計師不斷尋求縮短設計周期的方法，以及更有效的設計方式。隨著我們步入系統(tǒng)級芯片時代，利用IP內核和可編程邏輯進行設計復用顯得日趨重要。