利用混合信號FPGA和先進(jìn)的軟件工具實(shí)現(xiàn)簡易系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基本設(shè)計(jì)流程概念

　　標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)貨微處理器基本上只是一塊功能性硅片，需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行指令編碼，例如在初始設(shè)置中配置外設(shè)、運(yùn)行主要功能、與外界連接等。微處理器要在設(shè)計(jì)人員給予“身份”之后才能開始工作，它既可被編程和現(xiàn)場重編程，也能夠進(jìn)行多次重新定義。

　　另一方面，FPGA也是一塊功能性硅片，它可能包含一些特殊的功能性模塊(如存儲器)，但同樣必須在定義“身份”后才能工作。盡管FPGA在I/O的選擇使用上靈活性稍大，而且可并行操作，但它和微處理器一樣，都需要設(shè)計(jì)人員賦予它們“生命”。

　　雖然嵌入式設(shè)計(jì)人員很少同時從事FPGA設(shè)計(jì)，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)人員一般也不會踏進(jìn)嵌入式領(lǐng)域，但他們的設(shè)計(jì)流程其實(shí)極為相似。如圖1所示，兩者在設(shè)計(jì)器件時都是從零開始，采用某種語言編寫、編譯或構(gòu)建代碼，然后對器件進(jìn)行編程和調(diào)試。他們都能夠設(shè)計(jì)出出色又獨(dú)特的實(shí)現(xiàn)方案，可能簡單如控制一盞燈，也可能復(fù)雜似一件藝術(shù)品。這些形容簡化了編寫的內(nèi)容，同時也意味著設(shè)計(jì)流程偏向于并行化，而且更具兼容性。

　　集成嵌入式處理器的FPGA

　　過去十多年間出現(xiàn)了兩類集成處理器的FPGA：帶有處理器軟核的FPGA和帶有處理器硬核的FPGA。它們各有其優(yōu)缺點(diǎn)，但其中有些FPGA得以幸存，有的卻慘遭淘汰。問題在于嵌入式與 FPGA 設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)流程和相反特性究竟在多大程度上阻礙了這些器件的快速采納。

　　帶處理器軟核的FPGA

　　帶處理器軟核的FPGA主要是由FPGA供應(yīng)商提供的產(chǎn)品或解決方案。它為FPGA設(shè)計(jì)人員提供了嘗試嵌入式設(shè)計(jì)的機(jī)會，不過由于FPGA設(shè)計(jì)人員在AVR、8051、PIC或ARM等標(biāo)準(zhǔn)處理器上往往擁有自己的個人偏好、經(jīng)驗(yàn)和代碼庫，因而往往無法超過真正的嵌入式設(shè)計(jì)人員。多年來，愛特公司一直致力于為航天產(chǎn)品提供處理器軟核(如8051和Leon)，最近更推出了集成了ARM7、8051和ARM?誖CortexTM-M1處理器的快閃FPGA。

　　處理器軟核的優(yōu)勢一般包括：(1)可以根據(jù)需要增加外設(shè)；(2)在某些無需使用所有功能的情況下，可以簡化指令集以減小占用空間；(3)在需要時可以把設(shè)計(jì)移植到更大的FPGA中。

　　但是這種方案中僅僅是處理器本身就要使用相當(dāng)大的硅面積，因而成本高于獨(dú)立式處理器。外設(shè)數(shù)量的增加可能導(dǎo)致時序問題，而這超出了嵌入式設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)范圍。此外，SRAM FPGA沒有閃存來存儲代碼和數(shù)據(jù)，所以必須配置額外的閃存器件，而這也會影響到I/O要求、電路板版圖和設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

　　從設(shè)計(jì)角度來看，進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)的FPGA設(shè)計(jì)人員首先必須解決FPGA中處理器的硬件版圖問題，然后再進(jìn)行FPGA內(nèi)部嵌入式應(yīng)用的調(diào)試。如果只有一個設(shè)計(jì)人員進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)工作，則開發(fā)流程基本上是串行化的。如果在設(shè)計(jì)中存在缺陷或問題，便需要深入剖析許多層面才能找出原因所在(是代碼問題、RTL問題，還是硬件時序問題)。所有這些都影響著產(chǎn)品的上市時間和可靠性，最終關(guān)系到該項(xiàng)技術(shù)的全面采納。

　　帶嵌入式處理器硬核的FPGA

　　帶處理器硬核的FPGA有多種形式，均為行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，這一點(diǎn)十分有利于加速產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。例如，Triscend公司擁有8051/ARM FPGA，愛特梅爾(Atmel)則推出了基于AVR的FPSLICTM器件。由于Triscend在FPGA和現(xiàn)有FPGA設(shè)計(jì)流程方面缺乏深厚背景，所以根據(jù)器件需要開發(fā)出了一個對自己有利的工具流程。這個工具流程能夠更加直觀地整合各種組件，但缺少一般FPGA用戶期望的FPGA詳細(xì)設(shè)計(jì)功能。愛特梅爾擁有FPGA技術(shù)背景，其設(shè)計(jì)流基于FPGA/嵌入式并行流程，并可通過配置對話來定義兩者間的接口。

　　這些FPGA都具有一個優(yōu)點(diǎn)，即采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)處理器。其他優(yōu)點(diǎn)還包括：由于采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)處理器，能夠使用業(yè)界領(lǐng)先的編譯器(如KeilTM和IAR Systems?誖)，從而再次進(jìn)入主流嵌入式領(lǐng)域。處理器硬核的設(shè)計(jì)流程已被證明對雙方都很有利，不過FPGA和微處理器之間接口的調(diào)試可能是一大挑戰(zhàn)。

　　一直以來，較高的硅成本都是帶有處理器硬核的FPGA的缺點(diǎn)。硬核處理器的成本曾非常接近獨(dú)立式處理器的成本，而當(dāng)時FPGA仍然十分昂貴，因此說服那些使用1美元或2美元器件的嵌入式設(shè)計(jì)人員在成本只有15美元的設(shè)備中使用FPGA，還要增加一個額外的外設(shè)，對銷售人員或工程師來說都不是一個好主意。對于FPGA設(shè)計(jì)人員而言，這些器件中的FPGA實(shí)在太小，無法激起很大興趣。FPSLIC曾是一個不錯的點(diǎn)子，工程師都希望找到這方面的項(xiàng)目，不過一旦進(jìn)入定價和物流階段，許多機(jī)會都無法滿足應(yīng)用的實(shí)際需求。

嵌入式處理器的下一步

　　由于CMOS工藝的局限性，也因?yàn)樵缙趲в埠颂幚砥鞯腇PGA屬SRAM FPGA，因而并沒有集成大量的模擬功能。而利用基于快閃技術(shù)的FPGA則有可能增加廣泛的模擬電路。此外，只要再增加一個用于代碼存儲的集成式快閃模塊，這類器件看起來就像一個集成了模擬和FPGA的單芯片嵌入式處理器。如果從器件設(shè)計(jì)流程角度考慮，這就相當(dāng)于增加了一個新的設(shè)計(jì)組件。此時，不僅要進(jìn)行FPGA和嵌入式設(shè)計(jì)，還需處理模擬設(shè)計(jì)。于是，這種器件的設(shè)計(jì)流程需要進(jìn)行三類設(shè)計(jì)：FPGA設(shè)計(jì)、嵌入式設(shè)計(jì)和模擬設(shè)計(jì)。這些任務(wù)可以由3個、2個甚至1個設(shè)計(jì)人員來完成，使所有設(shè)計(jì)人員都必須能夠并行進(jìn)行自己的設(shè)計(jì)部分，以避免設(shè)計(jì)周期延長與FPGA中軟核處理器的協(xié)作問題。

　　此外，由于FPGA和嵌入式設(shè)計(jì)人員都是成熟的用戶團(tuán)隊(duì)，設(shè)計(jì)流程必須對雙方都具有吸引力，并且沒有陡峭的學(xué)習(xí)曲線，而FPGA和嵌入式設(shè)計(jì)人員都必須能夠確信自己的專業(yè)技術(shù)，因此每一方都必須依賴所做的設(shè)計(jì)選擇，能夠根據(jù)需要訪問模擬數(shù)據(jù)，圖2所示為Actel SmartFusionTM混合信號FPGA，是目前唯一一款集成了FPGA、ARM Cortex-M3處理器硬核和可編程模擬的FPGA。該器件的架構(gòu)具有清晰的功能性邊界和明確定義的接口，有助于簡化這類器件的設(shè)計(jì)邊界。

　　下面從三類設(shè)計(jì)工作劃分的角度來進(jìn)行分析：

　　(1)嵌入式設(shè)計(jì)人員可以像使用常規(guī)微控制器一樣，使用帶有一套固定硬外設(shè)(藍(lán)色部分)的標(biāo)準(zhǔn)ARM Cortex-M3處理器硬核。這稱為微控制器子系統(tǒng)(MSS)。這里并無時序不確定性。與模擬或FPGA的任何連接都通過先進(jìn)外設(shè)總線(APB)或先進(jìn)高性能總線(AHB)接口完成。盡管FPGA的內(nèi)容可能有很大改變，但由于存儲器映射具有簡單、自動擴(kuò)展的特性，它的各個組件可被視為處理器的外設(shè)擴(kuò)展部分。

　　(2)FPGA設(shè)計(jì)人員可以選擇使用FPGA中完全獨(dú)立于處理器的部分。由于FPGA帶有功能齊全的陣列、SRAM 和 FIFO模塊，以及包括 LVDS 的I/O，所以設(shè)計(jì)人員不受折衷FPGA架構(gòu)的限制。但是現(xiàn)在FPGA設(shè)計(jì)人員也能夠通過增加先進(jìn)微控制器總線架構(gòu)(AMBA)外設(shè)來支持嵌入式設(shè)計(jì)，或利用AMBA接口開發(fā)新的功能，以創(chuàng)建設(shè)計(jì)專用的新的定制外設(shè)。

　　(3)由于模擬設(shè)計(jì)沒有標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)成設(shè)計(jì)流程，因此“模擬設(shè)計(jì)”這個術(shù)語對不同人的含義可能也不一樣。許多模擬組件是專用標(biāo)準(zhǔn)器件(ASSP)，需要定制與處理器的接口。在SmartFusion中，模擬組件與處理器和FPGA集成在一起；在模擬設(shè)計(jì)中，預(yù)定義接口可以實(shí)現(xiàn)更高級別的提取。由于它們易于使用并具有直觀的圖形格式，最終可獲得適合于所有設(shè)計(jì)人員的全新一代的模擬配置對話。

　　下一代嵌入式處理器設(shè)計(jì)

　　假設(shè)目前的設(shè)計(jì)至少有兩名設(shè)計(jì)人員一起工作，設(shè)計(jì)中需要兩個并行設(shè)計(jì)流程，并采用一種便于兩名設(shè)計(jì)人員相互交流溝通的方法。圖3為基本的模塊結(jié)構(gòu)。

　　對于嵌入式設(shè)計(jì)人員，第一步是查看MSS配置器并選擇外設(shè)，然后安排配置設(shè)置以及改變I/O屬性。最重要的是，可以根據(jù)用戶的選擇自動生成存儲器映射和所選配置需要的全部固件。從這一點(diǎn)出發(fā)，嵌入式設(shè)計(jì)人員便可選擇工作在GNU、Keil或IAR等工具的標(biāo)準(zhǔn)處理器設(shè)計(jì)流程內(nèi)。實(shí)際上，無論使用上述任何哪一種業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)軟件IDE中，都可以提供MSS配置器。

　　配置外設(shè)的驅(qū)動器庫、系統(tǒng)初始化和啟動代碼都是自動產(chǎn)生的，這就為設(shè)計(jì)人員節(jié)省了大量的時間，不必花費(fèi)太多精力用于這部分設(shè)計(jì)，從而將更多時間用于應(yīng)用開發(fā)。

　　MSS配置器GUI看起來就像器件架構(gòu)模塊示意圖。由于這類工具對嵌入式和FPGA兩方設(shè)計(jì)人員來說都比較新穎，它的圖形直觀性界面有助于所有設(shè)計(jì)人員順利地學(xué)習(xí)，同時滿足每個人的要求。

　　FPGA設(shè)計(jì)人員可以自行配置微控制器子系統(tǒng)，也可以引入一個由嵌入式設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建的微控制器子系統(tǒng)。這時，只需采用一種簡單的文件格式在設(shè)計(jì)人員之間傳遞MSS配置，不必傳遞整個設(shè)計(jì)項(xiàng)目。實(shí)際上，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)人員需要了解MSS配置的唯一理由是外設(shè)與FPGA架構(gòu)的連接。FPGA設(shè)計(jì)人員因此能夠增加像SmartDesign IP模塊這樣的額外設(shè)計(jì)組件，或者是獲得用于與處理器的設(shè)計(jì)相獨(dú)立的RTL，并繼續(xù)進(jìn)行包含了全面廣泛的時序和功率分析的傳統(tǒng)FPGA設(shè)計(jì)流程。

　　對于模擬設(shè)計(jì)，不論用戶是真正的模擬設(shè)計(jì)人員，還是嘗試模擬設(shè)計(jì)的其他類型設(shè)計(jì)人員，直觀的圖形化配置方案似乎效果最好。這些已獲驗(yàn)證的設(shè)計(jì)技術(shù)支持現(xiàn)有混合信號Fusion FPGA，并包含電壓、溫度和電流監(jiān)控功能，以及采樣排序和后處理標(biāo)記生成的控制等功能。

　　溫度監(jiān)控器配置對話允許用戶設(shè)置采集時間，運(yùn)用過濾技術(shù)及輸入標(biāo)記要求以生成輸出，可用于處理器的中斷或FPGA架構(gòu)的輸出。

　　分布式設(shè)計(jì)環(huán)境的版本控制

　　若有兩個或更多設(shè)計(jì)人員從事一項(xiàng)設(shè)計(jì)，那么建立清晰的設(shè)計(jì)修改協(xié)議就顯得十分重要，而且其中一個設(shè)計(jì)人員應(yīng)該成為MSS配置的主要管理者。在密切合作的工作關(guān)系中，任何一個設(shè)計(jì)人員都可能修改或更新另一個人的工作，這時跟蹤修改是非常重要的。

　　如果嵌入式設(shè)計(jì)人員創(chuàng)建MSS配置，則該配置被輸出并傳送給FPGA設(shè)計(jì)人員。FGPA設(shè)計(jì)人員可以輸入且采用這個新版本，就如同一個輸入到設(shè)計(jì)圖中的標(biāo)準(zhǔn)IP模塊一樣。如果有帶MSS的現(xiàn)成設(shè)計(jì)，則設(shè)計(jì)人員可以簡單使用內(nèi)核替代功能，然后使用SmartDesign Canvas檢測是否有連接改變。

　　如果嵌入式設(shè)計(jì)人員是主要管理者，雖然FPGA設(shè)計(jì)人員在測試時可以對配置做較少的改變(例如，為了評測任何時序問題，F(xiàn)PGA設(shè)計(jì)人員可能需要改變MSS饋入FPGA架構(gòu)的時鐘頻率)，但嵌入式設(shè)計(jì)人員必須對這些變化進(jìn)行編譯以保持雙方同步。

　　由FPGA設(shè)計(jì)人員啟動設(shè)計(jì)流程并定義MSS所需的外設(shè)之后，下一步就是輸出配置并傳送給嵌入式設(shè)計(jì)人員，再由后者輸入這個配置，并生成用于MSS以及FPGA設(shè)計(jì)人員增加的任何軟外設(shè)的固件。若在設(shè)計(jì)流程初期創(chuàng)建有大量軟外設(shè)，就極可能是這種情況。

　　至于決定由哪一方作為配置的主要管理者，則因具體設(shè)計(jì)而異。處理模擬設(shè)計(jì)的人最有可能成為主要管理者。模擬計(jì)算引擎ACE(Analog Compute Engine)配置也包括在MSS模塊中。由于大多數(shù)設(shè)計(jì)人員都不太熟悉模擬設(shè)計(jì)，最初也許會經(jīng)歷多次設(shè)計(jì)反復(fù)，因此讓模擬設(shè)計(jì)人員成為MSS配置的主要管理者是很有說服力的。

　　嵌入式混合信號FPGA設(shè)計(jì)流程總結(jié)

　　嵌入式混合信號FPGA設(shè)計(jì)流程軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是建立一個具有以下特性的設(shè)計(jì)環(huán)境：

　　(1)使現(xiàn)有FPGA及嵌入式設(shè)計(jì)人員的學(xué)習(xí)曲線最小化；

　　(2)能夠幫助嵌入式設(shè)計(jì)人員單獨(dú)評測器件的處理器方面的性能；

　　(3)能夠幫助FPGA設(shè)計(jì)人員單獨(dú)評測器件的FPGA方面的性能；

　　(4)能夠讓嵌入式和FPGA設(shè)計(jì)人員并行進(jìn)行同一個器件的工作，而不存在進(jìn)度安排的風(fēng)險(xiǎn)；

　　(5)引入簡單的模擬接口，向所有用戶開放模擬設(shè)計(jì)。

　　在經(jīng)濟(jì)困難時期，產(chǎn)品需要快速上市，而工作穩(wěn)定性十分有限，市場競爭日益激烈。因此，任何一家硅器件供應(yīng)商或軟件開發(fā)商的任務(wù)都應(yīng)該是建立一個有助于提高生產(chǎn)力，而不是挑戰(zhàn)設(shè)計(jì)人員能力的設(shè)計(jì)環(huán)境，同時為設(shè)計(jì)人員的產(chǎn)品提供顯著的市場競爭優(yōu)勢。