基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 可編程片上系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)嶄新的、富有生機(jī)的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)研究方向。本文在闡述可編程邏輯器件特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢(shì)的基礎(chǔ)上，探討了智力產(chǎn)權(quán)復(fù)用理念、基于嵌入式處理器內(nèi)核和xilinx FPGA的SOPC軟硬件設(shè)計(jì)技術(shù)，引入了基于英特網(wǎng)可重構(gòu)邏輯概念并提出了設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法，為基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了廣闊的思路。

1 概述1.1 FPGA的特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢(shì)嵌入式系統(tǒng)是一個(gè)面向應(yīng)用、技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不可壟斷的產(chǎn)業(yè)，隨著各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用需求的多樣化，嵌入式設(shè)計(jì)技術(shù)和芯片技術(shù)也經(jīng)歷著一次又一次的革新。雖然ASIC的成本很低，但設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、投入費(fèi)用高、風(fēng)險(xiǎn)較大，而可編程邏輯器件（Programmable Logical Device）設(shè)計(jì)靈活、功能強(qiáng)大，尤其是高密度現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯器件（Field Programmable Gate Array）其設(shè)計(jì)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(jià)格比已足以與ASIC抗衡。因此，F(xiàn)PGA在嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域已占據(jù)著越來(lái)越重要的地位。

FPGA的基本結(jié)構(gòu)由以下幾個(gè)部分構(gòu)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(nèi)部互連資源PI（Programmable Interconnection）

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

數(shù)字時(shí)鐘管理單元（分頻/倍頻、數(shù)字延遲）

I/O多電平標(biāo)準(zhǔn)兼容（Select I/O）

算數(shù)運(yùn)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(shè)計(jì)人員自身能力的提高，F(xiàn)PGA將進(jìn)一步擴(kuò)大可編程芯片的領(lǐng)地，將復(fù)雜專用芯片擠向高端和超復(fù)雜應(yīng)用。目前FPGA的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：向更高密度、更大容量的千萬(wàn)門系統(tǒng)級(jí)方向邁進(jìn)向低成本、低電壓、微功耗、微封裝和綠色化發(fā)展IP資源復(fù)用理念將得到普遍認(rèn)同并成為主要設(shè)計(jì)方式MCU、DSP、MPU等嵌入式處理器IP將成為FPGA應(yīng)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(lái)越模糊，未來(lái)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(chǔ)器。Xilinx等公司最新一代FPGA：Spartan II/E、Virtex II Pro及其相關(guān)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(shí)代已經(jīng)離我們不遠(yuǎn)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(gè)芯片完成整個(gè)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(shè)計(jì)方式，可裁減、可擴(kuò)充、可升級(jí)，并具備軟硬件在系統(tǒng)可編程的功能。

SOPC結(jié)合了SOC和FPGA各自的優(yōu)點(diǎn)，一般具備以下基本特征：至少包含一個(gè)嵌入式處理器內(nèi)核具有小容量片內(nèi)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(diào)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(shè)計(jì)技術(shù)實(shí)際上涵蓋了嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的全部?jī)?nèi)容，除了以處理器和實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)（RTOS）為中心的軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、以PCB和信號(hào)完整性分析為基礎(chǔ)的高速電路設(shè)計(jì)技術(shù)以外，SOPC還涉及目前以引起普遍關(guān)注的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)。由于SOPC的主要邏輯設(shè)計(jì)是在可編程邏輯器件內(nèi)部進(jìn)行，而BGA封裝已被廣泛應(yīng)用在微封裝領(lǐng)域中，傳統(tǒng)的調(diào)試設(shè)備，如：邏輯分析儀和數(shù)字示波器，已很難進(jìn)行直接測(cè)試分析，因此，必將對(duì)以仿真技術(shù)為基礎(chǔ)的軟硬件協(xié)同設(shè)計(jì)技術(shù)提出更高的要求。同時(shí)，新的調(diào)試技術(shù)也已不斷涌現(xiàn)出來(lái)，如Xilinx公司的片內(nèi)邏輯分析儀Chip Scope ILA就是一種價(jià)廉物美的片內(nèi)實(shí)時(shí)調(diào)試工具。

2 IP資源復(fù)用理念與IP Core設(shè)計(jì)2.1 IP資源復(fù)用理念由于芯片設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和產(chǎn)品面市時(shí)間對(duì)于保證終端市場(chǎng)的成功率至關(guān)重要，設(shè)計(jì)師不斷尋求縮短設(shè)計(jì)周期的方法，以及更有效的設(shè)計(jì)方式。隨著我們步入系統(tǒng)級(jí)芯片時(shí)代，利用IP內(nèi)核和可編程邏輯進(jìn)行設(shè)計(jì)復(fù)用顯得日趨重要。